Природные ЧС: карст и суффозия.

Реферат: Природные ЧС: карст и суффозия.

СУФФОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

При фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц, а не его последствия, называют суффозией.

Суффозия достаточно широко распространена в пределах территории Российской Федерации. Наибольшее развитие природная суффозия получила в Предуралье и центральных областях европейской части России, в Среднем и Южном Поволжье, на Урале и Северном Кавказе, в предгорьях Алтая, Западной Сибири и Забайкалье, на Дальнем Востоке и Камчатке. 

Различают два вида суффозии – механическую и химическую. При механической фильтрующаяся вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые, пылеватые, песчаные); при химической вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения.

При одновременном действии этих двух видов суффозии иногда применяют термин – химико-механическая суффозия. Такая суффозия может быть в лессовых породах, где растворяется карбонатное цементирующее вещество и одновременно выносятся глинистые частицы.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины некоторой критической скорости воды. Это вызывает отрыв и вынос частиц во взвешенном состоянии. Взвешивание частиц происходит при критическом напоре, который можно определить по формуле:

где  – плотность породы (песка);

 – пористость породы, доли единицы.

Гидродинамическое давление, г/см3, действующее по касательной к депрессионной кривой дренируемого потока, определяют по формуле:

где  – плотность воды;

n – пористость, доли единицы;

I – гидравлический уклон (градиент).

Суффозия может происходить в глубине массива пород или вблизи поверхности земли.

В глубине массива перенос мелких частиц осуществляется водой из одних пластов в другие или в пределах одного слоя. Это приводит к изменению состава пород и образованию подземных каналов. В глубине массива суффозия может возникать также на контакте двух слоев, различных по составу и пористости. При этом мелкие частицы одной породы потоком воды переносятся в поры другой породы. При суффозии на контакте между слоями иногда формируются своеобразные прослои или вымываются пустоты. Это можно наблюдать на контакте глинистых и песчаных слоев, когда соотношение коэффициентов фильтрации этих пород больше 2. Характерными являются пустоты лессовых пород, в частности, на контакте с подстилающими их кавернозными известняками-ракушечниками. Размер пустот иногда достигает нескольких метров. Такие небольшие пещеры развиты, например, на склонах долины р. Темерник в г. Ростов-на-Дону. Развитие пещер нередко сопровождается провалом поверхности земли, повреждением зданий и подземных коммуникаций.

Следует отметить, что в лессовых породах суффозия развивается не только на контактах, а и в самых толщах, образуя так называемый глиняный, или лессовый, карст). Развитие пустот начинается с ходов землемеров при условии возникновения в них турбулентных завихрений фильтрующей воды. Порода разрушается и образуются пустоты размыва.

       Как механическая, так и химическая суффозия активно проявляется также вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий – формировании воронок депрессии, колебаниях уровня подземных и поверхностных вод, откачках, дренировании. Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод или сбросе лишних вод, в местах выхода на поверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях.

В откосах строительных выемок суффозионный вынос частиц приводит к оседанию поверхности, образованию провалов, воронок, оползней. Например, в районе Волгограда многие оползни связаны с суффозионным выносом песка грунтовыми водами. На орошаемых землях дельт Терека и Сулака (Прикаспий) за счет инфильтрации воды и перепада ее скоростей на границе супесчано-суглинистых отложений с озерно-аллювиальными трещиноватыми глинами образуются крупные провалы, разрушается оросительная сеть, магистральный канал.

Химическая суффозия может проходить длительное время и выщелачивает не только карбонаты и другие, сравнительно легко растворимые вещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс.

При проектировании объектов необходимо установить возможность проявления суффозионной осадки, определять величину и характер протекания суффозной осадки (). При этом следует определять ВСЮ суммарную величину вертикальной деформации засоленного основания, которая складывается из осадки, вызванной уплотнением грунтов от нагрузки объектов и суффозионной осадки.

При прогнозе величины суффозионной осадки следует учитывать:

- в глинистых грунтах с содержанием глинистых частиц более 40% осадка практически не проявляется;

- наибольшая осадка наблюдается при высокой засоленности и большой пористости грунтов;

- величина и характер протекания осадки во времени во многом зависят от химического состава фильтрующейся в грунте воды.

Величина суффозионной осадки определяется по результатам полевых испытаний засоленных грунтов статической нагрузкой (штампом) после длительного замачивания.

Суффозионные явления отрицательно сказываются на устойчивости зданий и сооружений. С суффозией следует активно бороться. Основой всех мероприятий является прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями: регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; перекрытием места выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка; устройством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цементации, глинизации, применением особых видов фундаментов, например, свайных.

КАРСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Это процессы выщелачивания водорастворимых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами и образования в них различных пустот.

Для карстового процесса (в отличие от суффозии) главным является растворение пород и вынос из них веществ в растворенном виде.

В России карст имеет широкое распространение в районах западного Приуралья (закрытый гипсовый и известняковый карст), на Русской равнине (закрытый известняковый карст), в Приангарье (известняковый карст) и во многих других местах Сибири, Кавказа и Дальнего Востока.

Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и степенью ее минерализации, геологическим строением участка, рельефом местности, трещиноватостью пород, характером растительности, климатом.

     Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы с ангидридами и известняки. Для растворения одной части каменной соли (галита) достаточно трех частей воды, а для гипса нужно уже 480 частей воды. Труднее всего растворяются известняки. В зависимости от содержания в воде  и от температуры дня растворения одной части минерала кальцита, из которого обычно слагаются известняки, требуется от 1000 до 30000 частей воды. Аналогичным образом растворяются доломит и магнезит.

Причины различной растворимости минералов зависят от энергии кристаллических решеток. Чем больше эта энергия, тем труднее растворяется минерал. Кроме того, растворимость породы зависит от крупности составляющих ее частиц. Мелкие зерна при всех прочих равных условиях растворяются быстрее.

Одним из главных факторов карстообразования является действие воды – атмосферной, речной, подземной, если она не обладает повышенной минерализацией. Наиболее сильно растворяет породы слабо минерализованная вода, а также водные растворы, содержащие свободную углекислоту. В этом случае растворяющее действие воды увеличивается во много раз. Растворению способствуют повышенная температура и движение воды.

Очень важным условием развития карста является степень водопроницаемости пород. Чем более водопроницаема порода, тем интенсивнее развивается процесс растворения. Наилучшие условия в этом отношении создаются в трещиноватых породах, особенно при наличии трещин шириной не менее 1 мм, так как это обеспечивает свободную циркуляцию воды. Вода постепенно разрабатывает трещины в каналы и пещеры. Этот процесс, получивший название коррозии, продолжается до водоупора или уровня подземных вод. У коррозионного процесса, как и у эрозионного, имеется нижний предел развития, называемый базисом коррозии, которым чаще всего бывает уровень ближайшей реки, озера или моря, а также поверхность водоупорных пород.

Поднятие или опускание карстового массива, вследствие движений земной коры, вызывает изменение положения базиса коррозии. Карстовый процесс при этом либо усиливается, либо ослабевает.

Ниже уровня подземных вод, если они достаточно минерализованы и поток их движется медленно, карстообразования не происходит. В этой части массива наблюдается цементация трещин за счет выпадения из водного раствора кальцита и других веществ. В связи с этим в карстующемся массиве следует различать зону карстообразования и зону цементации.

Интенсивность карстообразования определяется толщиной слоя карстующихся пород. При малой толщине исключается возможность возникновения больших пустот. К тому же маломощные слои растворимых в воде пород часто переслаиваются с глинами, иногда даже перекрываются глинистыми отложениями. Глинистый материал препятствует циркуляции воды, забивает трещины пород.

Очень большое влияние на развитие карста оказывает климат (количество и характер распределения осадков по сезонам года, температурный режим верхних слоев земной коры). Так, установлено, что на Урале до 50% карбонатных солей выносится водами в весенний период. Зимой их вынос составляет всего лишь несколько процентов от общегодового количества. При рельефе, который не обеспечивает поверхностного стока, роль атмосферных вод значительно возрастает.

Формы карста. В процессе выщелачивания в карстующихся породах образуются различные по своему положению и форме пустоты, или карстовые формы.

Гвоздецким были выделены следующие морфолого-генетические типы карста: 1) погребенный, или ископаемый карст; 2) бронированный карст; 3) покрытый карст; 4) задернованный карст; 5) полузадернованный и частично задернованный карст; 6) голый карст; 7) останцовый тропический карст (на территории бывшего СССР только реликтовый); 8) карст, развивающийся в условиях вечной мерзлоты; 9) морской карст.

Основные литологические типы, с которыми совмещаются морфолого-генетические, следующие: 1) известняковый карст; 2) доломитовый карст; 3) карст в мраморах; 4) меловой карст, в том числе в мелоподобных мергелях; 5) гипсовоангидритовый карст; 6) соляной карст.

По отношению к земной поверхности различают два типа карста открытый и скрытый. При открытом типе карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности земли, а при скрытом они перекрываются слоями нерастворимых водопроницаемых пород и лежат на некоторой глубине. Примером открытого карста могут быть районы молодых складчатых гор (Кавказ и др.). Скрытые карсты распространены на Русской равнине.

Из многочисленных форм карстов наиболее часто встречаются: на поверхности земли – карры, воронки, полья и в глубине карстующихся толщ – каверны и пещеры.

Карры – мелкие желоба, борозды и канавы на склонах рельефа местности из карстующихся пород в виде известняков.

Глубина карров колеблется от нескольких сантиметров до 1-2 м.
     КАРРЫ - микроформы, начальная стадия карстообразования. Бывают в виде голого карста и подпочвенного. 
     Факторы, влияющие на образование карров. 
     а)трещиноватость пород 
     б)избирательное растворение, связанное с неоднородностью пород по химическому составу. 
     в)различие в текстуре пород (слоистость, ориентированность зерен минералов и т.п.). 
     г)слоистость пород, межпластовые трещины. 
     д)различия в экспозиции поверхности пород (т.е., под каким углом поверхность повернута к югу, уклон поверхности) 
     е)сульфидные включения.

Воронки – углубления различных форм и размеров (рис. 128). Диаметр их колеблется от 3-4 до 40-50 м, глубина от 1-2 до десятков метров.

По происхождению воронки разделяют на поверхностные и провальные. Поверхностные воронки образуются в результате выщелачивания и размыва пород атмосферными и талыми водами в области открытого карста.

Форма этих воронок обычно блюдцеобразная. Провальные воронки возникают при обрушении кровли над подземными пустотами (пещерами и т.д.), образовавшимися также в процессе карстообразования. Свежие провальные воронки имеют шахтообразную форму. В дальнейшем, в частности, в гипсах и солях, края воронок приобретают плавные очертания.

На дне воронок всегда есть трещины, по которым вода поступает в глубину массива пород. В большинстве случаев воронки располагаются по определенным линиям, которые соответствуют основному направлению трещин массива. Такие вытянутые серии воронок иногда преобразуются в карстово-эрозионный овраг.

Полья возникают в результате постепенного объединения воронок или опускания больших участков земной поверхности в результате карстового выщелачивания пород на глубине толщ. По длине полья простираются на сотни метров и даже километров, глубина достигает нескольких метров.

Каверны образуются в результате растворения пород по многочисленным трещинам. Карстующиеся породы становятся похожими на пчелиные соты.

Пещеры – подземные пустоты, формирование которых связано с растворением пород и сопровождается эрозией и обрушением. Колебание базиса коррозии нередко приводит к появлению пещер, располагающихся в несколько этажей. В качестве примера можно привести Жигулевские горы.

В массиве карстующихся пород наблюдается обычно несколько пещер, связанных воедино ходами и трещинами, по которым циркулирует подземная вода. Пещерам свойственны озера и подземные реки.

Пещеры разнообразны по форме и размерам. Наиболее крупной среди известных является Мамонтова пещера в Северной Америке. Если все проходы и галереи этой пещеры вытянуть в одну линию, то их длина составит 240 км. Высота одного из залов достигает 40 м при размере в плане 163 х 87 м. Самой высокой среди известных пещерой в мире является Анакопийская пропасть в Новом Афоне (Кавказ). Один из ее залов имеет высоту более 70 м.

Строительство в карстовых районах связано со значительными трудностями, так как карстующиеся породы являются ненадежным основанием. Пустотность снижает прочность и устойчивость пород, как оснований зданий и сооружений. Развитие карстовых форм может вызвать недопустимые осадки или даже полное разрушение конструкций. Карстовый процесс особенно опасен для гидротехнических сооружений. Через карстовые пустоты возможны утечки воды из водохранилищ, каналов. При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на прекращение развития карстовых форм, повышения устойчивости и прочности пород:

- предохранять растворимые породы от воздействия поверхностных и подземных вод, что достигается планировкой территории, устройством системы ливнеотводов, покрытием поверхности слоем жирной глины, выполняющей роль гидроизоляции. Фильтрация подземных вод пресекается сооружением дренажных систем;

- упрочнять карстующиеся породы и одновременно предотвращать доступ в них воды, что может быть достигнуто нагнетанием в трещины и мелкие пустоты жидкого стекла, цементного или глинистого раствора, горячего битума.

В карстовых районах предусматривают строительство зданий малочувствительных к неравномерным осадкам, фундаменты свайного типа и другие специальные конструктивные решения. Для правильного проектирования зданий и сооружений в карстовых районах необходимы детальные инженерно-геологические исследования, которые должны носить комплексный характер. При этом изучают климат, растительность, гидрологию, геоморфологию, геологию местности, подземные воды и в том числе все, что связано с самими карстовыми формами.

ruВысокая активность карстово-суффозионных процессов (выше среднемноголетних значений) отмечена на Возвышенности запада Восточно-Европейской равнины и в пределах Низменности севера Восточно-Европейской равнины – на территории Московской области, а также – в районе г. Санкт-Петербурга.

Средняя активность карстово-суффозионных процессов (на уровне среднемноголетних значений) наблюдалась в пределах Низменности Прибалтики – в Ленинградской, Псковской и Новгородской областях; в пределах Низменности севера Восточно-Европейской равнины – в Ленинградской, Новгородской, Вологодской и Владимирской областях; наПриволжской возвышенности – на территории Пензенской области; на Возвышенности запада Восточно-Европейской равнины – в Калужской, Брянской, Курской и Липецкой областях; в пределах Полярного Урала, Северного Урала и Среднего Урала – на западе Челябинской, Свердловской областей и Ханты-Мансийского автономного округа.   

На остальной территории Российской Федерации, в пределах изученной части, активность карстово-суффозионных процессов в 2010 г. была низкой (ниже среднемноголетних значений).

      Наиболее широким распространением проявлений карстово-суффозионных процессов характеризуются: Владимирская, Калужская, Курская, Московская, Архангельская. Нижегородская области, республики Башкортостан, Татарстан, Марий Эл. 
       Высокая активность карстово-суффозионных процессов отмечена па территориях следующих учетных объектов федерального уровня ГМСН: Возвышенностях запада Восточно-Европейской равнины в границах Липецкой области; Низменностях севера Восточно-Европейской равнины в пределах Архангельской области;  Возвышенностях Южного Предуралья, Среднего и Южного Урала в границах Республики Башкортостан. 

     Низкая активность карстово-суффозионных процессов наблюдалась; на Низменностях юга Восточно-Европейской равнины в пределах Волгоградской области; центральной части Низменностей Прикаспия; в центре Приволжской возвышенности: на Общем Сырте: на Возвышенностях Южного Предуралья в пределах Оренбургской областей и республики Татарстан; на Низменностях севера Восточно-Европейской равнины в границах Новго-родской, Ульяновской и Самарской областей, республик Татарстан и Марий Эл; на Южном Урале в пределах Оренбургской области; в центральной части Западных Саян и на юго-востоке Алтай-Саянских гор. 

      На остальной территории Российской Федерации, в пределах изученной ее части, активность карстово-суффозионных процессов в 2005 г. была на уровне среднемноголетних значений, 

       В Южном федеральном округе карстовый процесс активно развивается на севере Астраханской области в районе оз.Баскунчак на площади 120 км² (10-90 воронок на 1 км²). 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Соколовский А.К. в 2 т. Т. 1 :Общая геология: учебник. Издательство: «Университет». 2005 г.

2.      Гвоздецкий Н.А. Карст. М.: Изд-во «Мысль», 1981.

3.     Короновский Н.В. , Ясаманов Н.А. Геология. 3-е издание.2006.

4.     Граменицкий Е.Н. Экспериментальная и техническая петрология. – М.: Научный Мир, 2000. – 416 с.

5.     3. Милютин В.Ш. Геология. Учебник. Высшая школа. 2004 г.

6.     Центр государственного мониторинга состояния недр. – Режим доступа:  http://www.geomonitoring.ru/activnost_egp.html