Украина относится к регионам со сложной структурно-геологической и сейсмологической обстановкой, что приводит к широкому развитию экзогенных геологических процессов: карста, оползней, оврагов, подтопления, эрозии, абразии и др., которые усложняют инженерно-геологические условия строительства и негативно влияют на безопасность существующих промышленных и жилых объектов.
Очень широко распространены карстовые явления. По геологическим условиям примерно третья часть площади суши земного шара имеет потенциальные возможности для их развития. Процессы карстообразования развиты на 60% территории Украины, из них на 27% территорий проявляется открытый карст (территории Волынской, Ровненской, Тернопольской, Донецкой, Луганской и южных областей страны). Карст существенно влияет на ландшафтные особенности территории, ее рельеф, сток, подземные воды, реки и озера, почвенно-растительный покров, хозяйственную деятельность населения. Поэтому, изучение данного геодинамического процесса является важной задачей как для Украины в целом, так и для Донецкой области, где это явление получило широкое распространение.
Карст представляет собой процесс растворения, или выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в глубине. [1]
Карст развивается под совокупным воздействием поверхностных и подземных вод. Растворение горной породы часто сопровождается механическим размывом. При этом размыв может подготавливаться растворением спаек между зернами породы, что освобождает их от сцепления и облегчает смыв. [7]
Впервые такие широко развитые процессы детально были изучены на побережье Адриатического моря, на плато Карст близ Триеста, откуда и получили свое название. К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит, мел. В соответствии с этим различают соляной, гипсовый и карбонатный карст. Хотя каменная соль и гипс обладают большей растворимостью, чем известняки и доломиты, гипсовый и соляной карст развит сравнительно мало из-за незначительного выхода их на дневную поверхность. Поэтому, наиболее изучен карбонатный карст, что связано со значительным площадным распространением известняков, доломитов, мела. Карбонатные породы растворяются при участии свободной углекислоты или других минеральных и органических кислот:
Главное условие растворимости известняка – достаточное количество растворенного CO2 в воде. Тогда вода становится химически агрессивной и энергично воздействует на карбонатные породы. [6]
Сульфатные породы и каменная соль могут растворяться в воде без сопутствующих реакций.
Необходимыми условиями развития карста являются: 1) наличие растворимых пород; 2) трещиноватость карстующихся пород – при наличии трещиноватости возникает возможность проникновения агрессивных вод в толщу породы и образования различных форм подземного карста, а также оттока вод, насыщенных углекислотой, с поверхности в глубь карстующихся пород; 3) растворяющая способность воды. [5]
К другим важнейшим условиям, определяющим развитие карста, относятся: а) рельеф – на пологонаклонных поверхностях карстовые образования возникают быстрее и представлены разнообразнее, чем на склонах; б) чистота и мощность известняков – чем чище и мощнее толща известняков, тем интенсивнее они подвержены карстообразованию; в) структура породы – грубообломочные или ракушечные известняки карстуются гораздо меньше, чем однородные мелкозернистые известняки; г) климат, т.е. температурный режим, количество и характер выпадающих осадков, наличие вечной мерзлоты, препятствующей проникновению воды в карстующиеся породы; климатом обуславливается также характер растительного покрова, способствующего повышению химической агрессивности воды; вследствие разложения растительных остатков вода обогащается гуминовыми кислотами, азотной кислотой и т.п. [4]
Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районах развитию карста благоприятствуют открытая поверхность растворимых пород и час-тые ливни. [2]
В Донбассе карстовые явления проявляются в зоне сочленения Приазовского кристаллического массива с Донецким складчатым сооружением. Объектом исследования карстовых явлений в данной работе был выбран Восточно-Комсомольский участок Доку-чаевского флюсо-доломитного комбината.
Восточно-Комсомольский участок расположен в в юго-западной части Донецкого складчатого сооружения и по административному делению находится в пределах Волно-вахского района Донецкой области. Участок является составной частью Еленовского ме-сторождения известняков и доломитов. Исследуемый район представляет собой степное холмистое плато, расчлененное рекой Сухая Волноваха и густой сетью впадающих в нее балок и оврагов. Естественные неровности рельефа существенно усложнены искусствен-ными выемками и насыпями действующих и заброшенных карьеров.
Район Еленовского месторождения сложен докембрийскими кристаллическими породами и серией осадочных образований девона и карбона. Стратиграфически выше этих отложений залегают породы палеогенового и четвертичного возрастов.
В районе широко распространены нижнекаменноугольные карбонатные и песчано-глинистые отложения турнейского и визейского ярусов. Каждый ярус в свою очередь расчленен на стратиграфические горизонты – турнейский на 4, визейский – на 7. Турнейский ярус почти полностью представлен карбонатными породами, магнезиальными в своей нижней части и почти не содержащими магния в верхней. По палеонтолого-литологическим признакам турнейский ярус расчленен на 4 горизонта (снизу вверх): Са, Сb, Сc и Сd. Горизонты Са и Сb по литологическим признакам разделены на два подгоризонта каждый. Подгоризонт Са является переходным от песчано-глинистых образований верхнего девона к карбонатным отложениям нижнего карбона. Сложен он кремнистыми обычными и доломитизированными известняками с прослоями углисто-глинистых известковых сланцев. Подгоризонт С а представлен переслаивающимися доломитизированными известняками с редкими пачками доломитов. Подгоризонт Сb слагают в основном доломиты с тонкими прослоями обычных и доломитизированных известняков. Вышележащий подгоризонт Сb и горизонты Сc и Сd представлены обычными флюсовыми известняками. Визейский ярус - в нижней части сложен почти исключительно известняками, а в верхней - песчано-глинистыми сланцами с прослоями известняков и каменного угля.
Карбонатные породы изучаемого района в значительной мере трещиноваты и закарстованы. Широкому развитию карста в районе способствует густая сеть тектонических нарушений и сопутствующих им трещинных зон и зон дробления. Основная роль здесь принадлежит трем крупным сбросам субширотного простирания. В северной части месторождения прослеживается Северо-Волновахский сброс с амплитудой смещения до 50 м. Падение сброса на юго-запад под углом 70-78°. По этому нарушению нижнетурнейские карбонатные породы соприкасаются с мергелями визейского яруса. С зоной дробления Северо-Волновахского сброса связаны многочисленные проявления кальцитовой, флюоритовой, баритовой и сульфидной минерализации. Южнее Северо-Волновахского сброса через все месторождение прослеживается Волновахский сброс. Плоскость смещения пород падает на юго-запад под углом около 65°, а амплитуда смещения достигает 100 м. Еще дальше к югу от Волновахского сброса почти параллельно ему проходит Южно-Волновахский сброс. Угол падения плоскости смещения пород колеблется от 35 до 70°, направление падения южное, амплитуда смещения достигает 500 м. Южно-Волновахский сброс сопровождается мощной зоной дробления и гидротермального изменения пород. На всем протяжении сброса наблюдается полиметаллическая минерализация, представленная пиритом, халькопиритом, сфалеритом и галенитом. Описываемый сброс является северной границей Восточно-Комсомольского участка.
На Восточно-Комсомольском участке, как и на всем Еленовском месторождении наблюдается поверхностный, или наружный карст и внутренний карст.
По раннее проводившимся исследованиям истории геологического развития района установлено, что начало образования поверхностного карста относится к допалеогеновому времени, когда поверхность карбона была открытой. Позднее в палеогене, неогене и четвертичном периоде неровности рельефа нижнекаменноугольных пород были в значительной мере покрыты толщей осадочных континентальных образований, в результате чего современный рельеф местности почти не имеет следов карстовой деятельности.
Широко распространенными формами поверхностного карста являются воронки и разнообразные углубления. Развитие поверхностного карста постепенно уменьшается с глубиной. Наиболее интенсивно поверхностному карсту подвержена полоса карбонатных пород вдоль Южно-Волновахского сброса и на восточном фланге участка, где абсолютные отметки поверхности достигают минимальных значений (рисунок 1).
Внутренний карст представляет собой сложное сочетание каверн, полостей, щелей различных размеров и форм, часто соединенных каналами. Карстовые полости в толще известняков и доломитов на участке имеют размеры по горизонтали от нескольких санти-метров до 10-15 м, реже до 100 м и даже больше, по вертикали внутренние карстовые по-лости обычно не превышают 10-15 м.
Подавляющее большинство карстовых полостей заполнено песчано-глинистым ма-териалом различной окраски с обломками карстующихся пород. Также материалом запол-нения карстовых полостей в доломитах является доломитный песок с кристаллами каль-цита и киновари. [8]
В массиве карбонатных пород Восточно-Комсомольского участка выявлены сле-дующие виды подземных карстовых форм: разрушенные зоны в кровле и в толще извест-няков, погребенные карстовые воронки, заполненные, частично заполненные и незапол-ненные трещины и полости, трещиноватые зоны, промежуточные полости в покровных отложениях, карстовые ниши. В массиве карбонатных пород основная часть нарушений относится к видам «б» и «д» (рисунок 2).
а – трещиноватые зоны;б – погребенная карстовая воронка;в1 – трещина не запол-ненная;в2 – трещина заполненная;г – разрушенная зона в массиве известняков; д1 – карстовая полость заполненная песчано-глинистыми отложениями; д2 – карстовая полость частично заполненная;д3 – карстовая полость незаполненная,е – карстовая ниша;ж – промежуточная полость в покровных отложениях. Покровные отложения - вязкая, плотная глина.
Для того, чтобы оценить степень закарстованности исследуемой территории, нами была проведена статистическая обработка данных буровых работ на Восточно-Комсомольском участке по 48 разведочным скважинам. Глубина пробуренных скважин достигала 100 м. По полученным разведочным данным была проведена оценка степени закарстованности района Восточно-Комсомольского участка Доломитового карьера и рас-считан линейного коэффициента закарстованности пород.
Степень закарстованности зависит от многих причин (физико-механических и хи-мических свойств пород, их гипсометрического положения, мощности покрывающих карбон рыхлых отложений, уровня подземных вод и т.д.) и изменяется как с глубиной, так и по площади месторождения.
Для того, чтобы рассчитать линейный коэффициент закарстованности пород из ка-ждой разведочной скважины выбирались мощности пород и горизонт (подгоризонт), в которых был обнаружен карст. Были изучены 3 горизонта пород турнейского яруса - С с, С b, С а. Линейный коэффициент закарстованности рассчитывается по стандартной ме-тодике отдельно для каждого горизонта и подгоризонта пород и представляет собой от-ношение мощности закарстованных пород к общей мощности пород, выраженное в про-центах и определяется по формуле (1): [3]
Рассчитанные значения линейных коэффициентов закарстованности для каждого горизонта (подгоризонта) пород представлены в таблице 1.
Проведенные расчеты показали, что средний коэффициент закарстованности пород на Восточно-Комсомольском участке Доломитного карьера составляет 25,3%.
Таким образом, сложное геологическое и тектоническое строение исследуемого карстового района (наличие толщ растворимых карбонатных пород, интенсивная тектоническая нарушенность массивов) обусловили широкое распространение и разнообразие поверхностных (таких, как воронки, провалы, лога) и подземных (пещеры, погребенные карстовые останцы и гребни, полости и расширенные карстом трещины) карстовых форм.
Закономерности распределения поверхностных карстовых форм обусловлены, прежде всего, гидродинамическими условиями. Наибольшая плотность поверхностных карстовых форм наблюдается в зонах тектонических нарушений, характеризующихся сильной трещиноватостью и усиленной циркуляцией подземных вод.
Изменение гидродинамических условий (интенсивная эксплуатация трещинно-карстового водоносного горизонта, нарушение поверхностного стока с массивов кар-стующихся пород, образование на локальных участках очагов сосредоточенной инфильтрации поверхностных вод) приводит к активизации карстово-суффозионного процесса. Размыв древнего заполнителя карстовых полостей и вмывание в образовавшиеся пустоты рыхлых покровных отложений в дальнейшем могут привести к образованию на поверхности земли просадок и провалов, создающих угрозу нормальной эксплуатации инженерных сооружений.
Значительные экономические потери и экологический ущерб от карстовых прова-лов предопределяют необходимость глубокого изучения карста и выработки прогнозов его активности на этапах проектирования и эксплуатации сооружений.
1. Карст. – М: Мысль, 1981 – 214 с.
2. Соколов Д.С. Основные условия развития карста. – М.: Госгеолтехиздат.1962. – 322 с.
3. Чикишев А.Г. Методы изучения карста. – М., 1973, - 90 с.
4. Максимович Г.А. Карст, М., 1960, - 115 с.
5. Максимович Г.А. Основы карстоведения. – Т.1. – Пермь, 1963. – 444 с.
6. Максимович Г.А. Основы карстоведения. – Т.2. – Пермь, 1969. – 529 с.
7. Гвоздецкий Н.А. Проблемы изучения карста и практика. – М.: Мысль, 1972. – 392 с.
8. Якуч Л. Морфогенез карстовых областей. – М.: Прогресс, 1979. – 388 с.