RUS |ENG | ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ

Рудоквас Ольга Николаевна

Факультет: Горно-геологический

Специальность: Екологическая геология (ЭГ)

Тема выпускной работи:

Закономерности пространственного распространения карста на Восточно-Комсомольском участке Докучаевского флюсо-доломитного комбината

Руководитель: Проскурня Юлия Анатолиевна

Материалы по теме выпускной работы:

Email: summoner_2@mail.ru

Актуальность темы

Карст является одним из наиболее опасных природных процессов на Земле из-за внезапности проявления в виде провалов и оседаний земной поверхности, иногда достигающих 50 - 100 метров и более в диаметре и в глубину. По геологическим условиям примерно третья часть площади суши земного шара имеет потенциальные возможности для развития карста. 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. Другой важной экологической проблемой является тот факт, что большинство карстовых воронок используется человеком для сброса различных отходов, устройства несанкционированных свалок и т.п. В ряде мест это приводит к существенному загрязнению подземных вод токсичными компонентами и сокращению запасов питьевых вод. Все это ведет к общему ухудшению экологической обстановки, ухудшению эколого-геологических условий территорий.

Поэтому, изучение данного геодинамического процесса является важной задачей как для Украины в целом, так и для Донецкой области, где это явление получило широкое распростра¬нение.

Цель работы:

Изучение условий и особенностей развития карбонатного карста на Восточно-Комсомольском участке Доломитного карьера Докучаевского флюсо-доломитного комбината.

Основные задачи исследований:

1) выявление закономерностей развития карбонатного карста на Восточно-Комсомольском участке;

2) оценка степени закарстованности пород на исследуемой территории;

3) построение карт распространения карста на данном участке.

4) изучение условий развития и распространения киновари в зонах карстообразования района Еленовского месторождения.

Объект исследований

Объектом исследования в данной работе был выбран Восточно-Комсомольский участок ДФДК. Участок расположен в юго-западной части Донецкого складчатого сооружения и по административному делению находится в пределах Волновахского района Донецкой области. Восточно-Комсомольский участок является составной частью Еленовского месторождения известняков и доломитов. Кроме исследуемого участка в состав Еленовского месторождения входят: Комсомольский участок,«Балка безводная», «Восточный», «Восточно-Доломитный», «Балка водяная», Восточно-Комсомольский II.В настоящее время разрабатываются Комсомольский (рудник Доломитный), Центральный, Восточный и Восточно-Комсомольский участки.

Предмет исследований:

Предметом исследований является поверхностный и подземный карст в районе Восточно-Комсомольском участка.

Методы исследований:

1) статистические методы для определения величины закарстованности территории (по данным разведочных скважин);

2) методы пространственного анализа для выделения наиболее вероятных и наиболее опасных зон карстообразования;

3) картографические методы для построения карт интенсивности поверхностного и подземного закарстования.

Научная новизна работы:

Дана детальная характеристика закарстованности карбонатных массивов на территории Восточно-Комсомольского участка; рассчитан линейный коэффициент закарстованности пород данного участка.

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

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 (см.Рисунок 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.Впервые такие широко развитые процессы детально были изучены на побережье Адриатического моря, на плато Карст близ Триеста, откуда и получили свое название.

Первые сведения о карсте Донбасса появлялись еще в 1930-40 годах. После образования Донецкой спелеосекции с 1972 года стали проводиться экспедиции по исследованию карстовых районов Донбасса. В период с 1973 г. и до сегодняшнего дня многочисленными экспедициями были найдены и исследованы карстовые полости. Так, в в Южном карстовом районе (315 км²) был исследован карбонатный обнаженный и задернованный карст в сложных и доломитизированных известняках и доломитах. Установлено, что мощность известняков и доломитов достигает 300 метров. Наиболее закарстованы зоны в бассейнах рек Сухой и Мокрой Волновахи, в среднем течении р. Кальмиус. Поверхностные карстовые формы представлены дырчатыми каррами диаметром 20-30 см и глубиной 20 см понорами и коррозионными карстовыми воронками. Подземные карстовые формы в пределах района невелики и немногочисленны. Многие пещеры вырабатываются карьерами. Одними самых известных карстовых пещер в районе являются: Базалеева пещера (с. Новотроицкое), пещера «Докучаевская» (расположена в старой части Докучаевского доломитового карьера на правом берегу реки Волновахи), пещера «Карьерная» (левый берег р. Волновахи). В этом же районе расположено ещё множество гротов и полостей входы, которых чернеют в скальных стенах карьеров. Наиболее крупными исследованными полостями являются «Докучаевская-2» 17/5, «Докучаевская-3» 13/2 и грот «Докучаевский» 14/3.

Вопросы классификации карстового процесса и создаваемых им наземных и подземных карстовых форм с использованием морфологических, генетических, литологических и других признаков, наиболее полно рассмотрены в работах Д. С. Соколова (1962), Г. А. Максимовича (1963), А. В. Ступишина (1967а), Н. А. Гвоздецкого (1972), А. Г. Чикишева (1979), И. А. Саваренского и Н. А. Миронова (1995), Г.Н. Дублянской и В.Н. Дублянского.

Важнейшим научным достижением стало обоснование Д. С. Соколовым (1962) четырех необходимых условий развития карста, включающих: наличие растворимых пород, их водопроницаемости, движущихся вод и их растворяющей способности (агрессивности). Отсутствие любого из этих условий исключает саму возможность развития карстовых пустот в массивах растворимых пород. В настоящее время, как отмечают Г. Н. Дублянская и В. Н. Дублянский (1998, с. 18), наметилась тенденция к пересмотру данных фундаментальных положений Д. С. Соколова. Одни исследователи, в том числе и последние из отмеченных, расширяют перечень основных условий, выделяя при этом практически без всякого обоснования главные из них. Другие (Кутепов, Кожевникова, 1989) обособляют среди основных условий пассивные и активные составляющие.

Наиболее значительный вклад в разработку типологии карста внес Г. А. Максимович (1963). По степени обнаженности карстующихся толщ и характеру покровных образований он выделил шесть основных региональных типов карста: средиземноморский, кавказский, среднеевропейский, камский, русский и среднеатласский. Морфологически сходный с этими типами карст, проявляющийся на относительно небольших участках, Г. А. Максимович называет соответственно голый, задернованный, покрытый (подэлювиальный), перекрытый (подаллювиальный), закрытый и подвулканический.

Вопросы классификации карстового процесса и создаваемых им наземных и подземных карстовых форм с использованием морфологических, генетических, литологических и других признаков, наиболее полно рассмотрены в работах Д. С. Соколова (1962), Г. А. Максимовича (1963), А. В. Ступишина (1967а), Н. А. Гвоздецкого (1972), А. Г. Чикишева (1979), И. А. Саваренского и Н. А. Миронова (1995), Г. Н. Дублянской и В. Н. Дублянского (1998).

Многочисленные исследования, проводимые в пределах Еленовского месторождения, были посвящены изучению стратиграфии, геологического и гидрогеологического строения, тектонических условий, поиску полезных ископаемых. Исследования карста сводились в основном к описанию карстовых форм и пещер. Ни в одной из работ не содержатся обобщающие материалы по выявлению закономерностей и особенностей развития карста, чему и будет посвящена данная магистерская работа.

2.ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ РАЙОНА

2.1 Стратиграфия и литология

Район Еленовского месторождения и других месторождений карбонатных пород юго-западной части Донбасса в структурном отношении приурочен к юго-западному крылу Кальмиус-Торецкой котловины – зоне сочленения Приазов-ского кристаллического массива с Донецким складчатым сооружением. В его геологическом строении участвуют разновозрастные осадочные комплексы, магматические и метаморфические породы.

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 (С^t₁) 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): С^t₁а, С^t₁ b, С^t₁c и С^t₁ d. Горизонты С^t₁а и С^t₁ b по литологическим признакам разделены на два подгоризонта каждый. Подгоризонт С^t₁а₁ 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^t₁а₂ представлен переслаивающимися доломитизированными известняками с редкими пачками доломитов. Подгоризонт С^t₁b₁ слагают в основном доломиты с тонкими прослоями обычных и доломитизированных известняков. Вышележащий подгоризонт С^t₁b₂ и горизонты С^t₁c и С^t₁d представлены обычными флюсовыми известняками. Визейский ярус С^v₁ - в нижней части сложен почти исключительно известняками, а в верхней - песчано-глинистыми сланцами с прослоями известняков и каменного угля (С^v₁ g).

Наличие толщ растворимых карбонатных пород, переслаивающихся с песчано-глинистыми отложениями, и является одним из условий развития карста и предопределяет возможность его широкого распространения на Восточно-Комсомольском участке.

2.2.Тектоника

В структурном отношении район Еленовского месторождения расположен на южном крыле Кальмиус-Торецкой котловины. Северное крыло котловины крутое, оно упирается в главную антиклиналь Донецкого кряжа, а южное, более пологое крыло – в Приазовский кристаллический массив. Положение района на стыке двух крупных структур привело к развитию сложной пликативной и дизъюктивной тектоники, что обусловило его строение, близкое к блоковому.

Главными тектоническими элементами района являются дизъюктивные нарушения – сбросы и взбросы, благодаря которым район и характеризуется сложным блоковым строением. В зависимости от пространственной ориентировки в районе выделяют 4 основные системы разломов: субширотную, северо-западную, субмеридиональную и северо-восточную.

Основная роль структурном строении Еленовского месторождения 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, а известняки горизонтов с песчано-глинистыми сланцами горизонта С^t₁g. 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 исследуемого Восточно-Комсомольского участка.

Сложное тектоническое строение, раздробленность и трещиноватость пород способствовали проникновению поверхностных вод на значительные глубины и интенсивному развитию карста на исследуемом участке.

3.КАРСТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ УЧАСТКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В карбонатных породах района, наряду с процессами физического и химического выветривания, окремнения, кальцитизации, доломитизации, ожелезнения и другими, широко развит процесс выщелачивания. Результатом этого процесса явилось образование в известняках и доломитах турнейского ивизейского ярусов карстовых пустот в виде пещер, ходов, открытых воронок, щелей и различных систем трещин со следами выщелачивания слагающих породу минералов.

Указанные формы карста, в зависимости от наличия непосредственной связи их с поверхностью, могут быть выполнены рыхлыми песчано-глинистыми отложениями или же оставаться пустотами.

В случае, когда выщелачиванию подвергаются только менее устойчивые минералы (кальцит), а другие минералы в большей или меньшей степени сохраняются, порода теряет свойственную ей механическую прочность и превращается в рыхлую разность. Так образуются рыхлые доломиты, а также рыхлые известняки и доломиты.

Явление частичной или полной дезинтеграции породы в целике наблюдается, главным образом, в доломите стратиграфических горизонтов С^t₁b₁, С^t₁a₂.

При описании карстовых явлений в настоящем проекте использован обширный материал, накопленный в процессе эксплуатации участка, где горными работами известняковая толща вскрыта на всю мощность.

По своему характеру карст Еленовского месторождения относится к ископаемому или погребённому. Развитие его происходит и в настоящее время, но с затухающей интенсивностью.

Все карстовые полости на участке подразделяются на два типа:

1. Поверхностный или наружный карст.

2. Внутренний карст.

Поверхностный или наружный карст образовался с результате деятельности грунтовых и подземных вод и проявился в виде воронок и карстовых углублений на поверхности карбонатных пород. Начало образования поверхностного карста относится к допалеогеновому времени, когда поверхность карбона была открыта. На площади древней поверхности карбонатной толщи, где в свое время господствовало движение подземных вод, теперь наблюдаются такие отрицательные формы древнего карстового рельефа, как карстовые овраги, долины, котловины, промоины и карстовые воронки; к положительным формам рельефа относятся останцы в виде холмов, столбов, оврагов, конусов и др.

Поверхностный карст нашел своё отражение на плане пород поверхности нижнего карбона. На Восточно-Комсомольском участке карстовые воронки являются наиболее распространённой формой карста (см.рисунок 2). Обычно в плане карстовые воронки имеют форм круга. Глубина их изменяется от 5-10м до 100м. Наибольшего развития внешний карст достигает вблизи тектонических нарушений и особенно в пониженных частях рельефа, по руслам рек и балок. Закарстованность карбонатной толщи за счёт поверхностного карста с глубиной уменьшается.

Внутренний карст является результатом действия двух факторов: тектонических сил, благодаря которым образовалась сеть трещин, а также химического и физического воздействия подземных вод. Он представляет собой чрезвычайно сложное сочетание каналов, полостей, пещер, щелей.

Внутренний карст имеет весьма незакономерное и неравномерное распространение как по площади, так и на глубину. Эти карстовые полости в забоях карьеров, а также по данным разведочных работ имеют размеры по горизонтали от нескольких сантиметров до 30м, а по вертикали размеры их достигают 10м.

Оба вида карстовых полостей, как поверхностных, так и внутренних, заполнены песчано-глинистым материалом различной окраски с обломками карстующихся пород.Также материалом заполнения карстовых полостей в доломитах является доломитный песок с кристаллами кальцита и киновари.

В массиве карбонатных пород Восточно-Комсомольского участка выявлены следующие виды подземных карстовых форм: разрушенные зоны в кровле и в толще известняков, погребенные карстовые воронки, заполненные, частично заполненные и незаполненные трещины и полости, трещиноватые зоны, промежуточные полости в покровных отложениях, карстовые ниши (см.Рисунок 3).

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 нередко превышала 100 м. По полученным разведочным данным была проведена оценка степени закарстованности района Восточно-Комсомольского участка Доломитового карьера и рассчитан линейного коэффициента закарстованности пород.

Закарстованность карбонатных пород отдельных стратиграфических горизонтов как по месторождению, так и по Восточно-Комсомольскому участку, колеблются в довольно широких пределах.

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^t₁с, С^t₁b,С^t₁а. Линейный коэффициент закарстованности рассчитывается по стандартной методике отдельно для каждого горизонта и подгоризонта пород и представляет собой отношение мощности закарстованных пород к общей мощности пород, выраженное в процентах и определяется по формуле (1):

Рассчитанные значения линейных коэффициентов закарстованности для каждого горизонта (подгоризонта) пород представлены в таблице 1.

Из приведенной таблицы видно, что породы стратиграфических горизонтов, отличающиеся высоким содержанием кремнезёма, как правило, менее выщелочены; известняки же химически более чистые подвержены карстообразованию в большей степени. Разведочные работы, произведенные на Восточно-Комсомольском участке не позволили обнаружить какую-либо зависимость степени закарстованности карбонатных пород от их гипсометрического положения. Из всех детально разведанных участков Еленовского месторождения карбонатные породы Восточно-Комсомольского участка наиболее закарстованы. Это объясняется интенсивно развитой тектоникой, которая способствовала развитию трещиноватости пород и образованию карста.

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 инфильт-рации 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 провалов предопределяют необходимость глубокого изучения карста и выработки прогнозов его активности на этапах проектирования и эксплуатации сооружений.

Список использованной литературы

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.

& Copy, DonNTU 2008

| ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ |