Развитие методических подходов к оценке карстоопасности, по нашему мнению, должно выполняться в ключе комплексного исследования особенностей природного строения территорий в сопоставлении с проявлением карстового процесса и его активностью. Основная задача таких исследований заключается в установлении фундаментальных количественных взаимосвязей между природными условиями и характером развития карста.
Среди всего многообразия природных факторов, влияющих на активность, а вместе с тем и опасность протекания карстового процесса, немаловажная роль принадлежит геоморфологическим особенностям строения карстового массива. Рельеф земной поверхности в закарстованных районах характеризуется значительной вариативностью (воронки, поноры, лога, депрессии, рытвины, оседания и пр.) и сложностью формирования. С проблемой его формализации и описания сквозь призму отдельных факторов, наиболее применимых для целей решения задач, связанных с оценкой карстоопасности территорий, неоднократно сталкивались многие исследователи [3, 10, 11].
Очевидно, что геоморфологический облик карстовых массивов во многом зависит от неотектонической обстановки их развития, а также геологического строения их приповерхностной части. В настоящей работе приводится попытка систематизировать теоретический опыт, накопленный в области исследования формирования рельефа карстовых массивов. Понимание глобальных механизмов развития карстового рельефа позволит более целостно подходить к выделению геоморфологических факторов карстоопасности при решении частных инженерно-геологических задач.
Результаты анализа
А.И. Печеркин и Г.Б. Болотов [7] при анализе формирования рельефа карстовых массивов выделяют две его принципиальные разновидности: консонантный и диссонантный. Впервые данные термины в отношении рельефа карстовых массивов употребил Г.А. Максимович [6]. Под консонантным он понимал карстовый рельеф, характерный в наше время в данных климатических условиях, под диссонантным – рельеф, образованный в прошлые эпохи и сохранившийся до наших дней в современных климатических условиях. А.И. Печеркин и Г.Б. Болотов [7] расширили эти два понятия, вложив в них несколько иной смысл. Так, под консонантным рельефом они понимают рельеф обнаженного или перекрытого маломощным почвенно-растительным слоем карстового массива, а под диссонантным – рельеф карстового массива, перекрытого мощной толщей покровных рыхлых отложений.
С нашей точки зрения эти понятия целесообразно трактовать как по отношению к рельефу, так и при характеристике собственно карстовых массивов. Консонантный рельеф карстовых массивов характеризуется выходом на дневную поверхность карстующихся пород и прямым выражением их в рельефе местности. Диссонантный, напротив, характеризуется инверсионным сочетанием рельефа поверхности земли и поверхности карстующихся пород, залегающих на относительной глубине.
Развитие любой карстовой системы подчиняется закону ритмичности с учетом всеобщего тренда развития карстового процесса, направленного на постепенное разрушение карстующейся толщи и деградацию карстового массива. Ритмичность выражается в постепенных переходах от массива консонантного к массиву диссонантному и наоборот. Контролируется ход этого развития тектонической активностью территории, а именно интенсивностью вертикальных и субвертикальных неотектонических движений земной коры. В результате в массиве происходит перераспределение тектонических усилий, активизируются старые и закладываются все новые зоны повышенных напряжений, в пределах которых формируются дизъюнктивные нарушения различных порядков, определяющие направление процесса карстообразования и особенности рельефа поверхности земли. Тектоническое поднятие территории в самом общем случае ведет к формированию консонантного карстового массива вследствие комплексного воздействия на породы процессов денудации. Соответственно, понижение территории формирует благоприятные условия для аккумуляции и осадконакопления и формирования на этом фоне диссонантного карстового массива.
В геоморфологическом отношении в пределах любого карстового массива выделяются три основные разновидности элементов рельефа – карстовые депрессии, или котловины, карстовые останцы и карстовые седловины. Постепенное разрушение и растворение карстующихся отложений поверхностными и подземными водами, наиболее интенсивно проходящее в пределах ослабленных трещиноватых зон карстового массива на фоне протекания других экзогенных геологических процессов, таких как перенос, перераспределение вещества и его аккумуляция, приводит к формированию карстовых депрессий. Они характеризуются пониженным гипсометрическим положением в рельефе массива. Наиболее крепкие и целые участки коренных карстующихся пород, со слаборазвитой трещиноватостью и возвышенным положением в теле карстового массива, называются карстовыми останцами. Наконец, промежуточные участки, приуроченные к межостанцовому пространству, относятся к карстовым седловинам или межостанцовым седловинам. Эти разновидности элементов рельефа характерны как для консонантного, так и для диссонантного типа. Более подробно роль структурно-тектонических факторов в геоморфологическом зонировании карстовых массивов представлена в работах пермских геологов-карстоведов [7, 4, 8, 9].
На фоне тектонических структур в породах карстового массива выделяются локальные осложнения, проявляющиеся в виде зон раздробленности, карстовых полостей и их систем, а на поверхности в форме карстовых долин, оврагов, провалов, воронок и т.д. Схематическое изображение идеализированного консонантного рельефа карстового массива приводят А.И. Печеркин и Г.Б. Болотов [7]. Они же имплицитно отмечают, что подобная картина характерна для диссонантного типа рельефа карстового массива, где помимо всего прочего при образовании локальных провальных карстовых форм будут преобладать процессы суффозии, проседания, обрушения и оползания покровных отложений (рис. 1).
Примером формирования диссонантного типа рельефа из консонантного может служить долина р. Иргины в Предуралье (Пермский край). Ее формирование наряду с тектоническим оседанием территории во многом обусловлено литологической неоднородностью пород. В результате первичная карстово-эрозионная равнина (стадия I) пройдя последовательное развитие (стадии II–III), сопровождающееся образованием карстовой депрессии на месте трещиноватых легкорастворимых кунгурских гипсов и останцов, сложенных крепкими, практически непроницаемыми артинскими известняками приобрела современный вид (стадия IV), когда интенсивно карстующиеся гипсы перекрыты дисперсными отложениями-наносами р. Иргины (рис. 2).
Рис. 1. Блок-диаграмма идеализированного карстового массива [7]: 1 – коррозионно-эрозионная долина реки; коррозионные; 2 – останцы; 3 – межостанцовые седловины; 4 – депрессии; 5 – воронки; 6 – поноры; 7 – карры; 8 – подземные полости; коррозионно-эрозионные: 9 – овраги; 10 – воронки; 11 – коррозионно-обвальные воронки. Стрелками показано направление движения подземных вод
Рис. 2. Формирование долины р. Иргины в Предуралье [2]. Породы: А – карбонатные (P1a); Б – сульфатные (P1kg), В – песчано-глинистые (P1kg). Стадии развития карстового рельефа: I – приподнятая закарстованная равнина; II – озерная депрессия с сульфатными источниками; III – вскрытая депрессия с пресным воклюзом; IV – речная долина с воклюзами. Стрелками показано направление движения подземных вод
Стадийность развития диссонантного рельефа карстового массива, перекрытого скальными и полускальными отложениями, на фоне стабильной тектонической обстановки детально рассмотрена в работе А.И. Печеркина и Г.Б. Болотова [7]. Ими выделено 5 стадий формирования диссонантного карстового массива (рис. 3).
На первых стадиях (B, C) растворение пород идет в пределах интенсивно раздробленных тектоническими трещинами участков массива. Оно сопровождается формированием карстовых депрессий, выраженных пологими понижениями рельефа с возможным образованием озер на поверхности земли, а в ходе дальнейшего растворения карстующихся пород и раскрытия трещин приводит к ослаблению покровной толщи и ее обрушению, вследствие чего формируются обвально-карстовые отложения. Наибольшая закарстованность на этих стадиях наблюдается в пределах карстовых депрессий.
На последующих стадиях (D, E) происходит расширение и углубление карстовых депрессий, интенсивное карстообразование наблюдается в седловинах. Формируются новые полости, а вследствие обрушения их кровли увеличивается мощность обвально-карстовых отложений. Продолжают разуплотняться и разрушаться покровные отложения.
Рис. 3. Формирование диссонантного рельефа кровли закарстованного массива, перекрытого нерастворимыми скальными породами [7]: А – первоначальное положение массива и характер его трещиноватости; B – стадия первичного расчленения рельефа; C – стадия формирования верхнего яруса гравитационно-карстовых образований; D – стадия формирования нижнего яруса обвально-карстовых образований; E – стадия завершения формирования карстового рельефа. Условные обозначения: 1 – сильнораздробленные; 2 – среднераздробленные; 3 – слабораздробленные тектоническими трещинами участки; 4 – перекрывающие массив породы; 5 – растворимые породы; 6 – обвально-карстовые отложения; 7 – карстовые полости
Завершается процесс формирования диссонантного рельефа (стадия E) полным обрушением всех полостей и разрушением карстующихся пород до уровня базиса эрозии в пределах депрессий и седловин. Разрушению начинают подвергаться и останцы. Рельеф земной поверхности характеризуется крупными карстовыми котловинами, постепенно заполняющимися делювиальными и аллювиальными осадками. На местах депрессий в рельефе поверхности формируются крупные карстовые лога и озера, а нередко и карстовые реки, с сильно изменяющимся водным режимом.
Схема формирования диссонантного рельефа, перекрытого рыхлыми четвертичными отложениями, в целом мало отличается от таковой, рассмотренной для случая полускальных перекрывающих пород. По мнению А.И. Печеркина и Г.Б. Болотова [7], карстовые депрессии также закладываются в пределах интенсивно трещиноватых зон массива. Отличительной особенностью является способность рыхлых покровных четвертичных песков, а также водонасыщенных супесей и суглинков заполнять (кольматировать) трещины, препятствуя тем самым ходу процесса карстообразования. Вследствие этого подземный рельеф карстующейся толщи характеризуется относительной выположенностью. Подземные полости образуются главным образом в результате карстово-суффозионных процессов, протекающих на границе перекрывающих и карстующихся отложений и куда реже в толще карстующихся пород.
Примерами вышеописанной стадийности развития рельефа карстовых массивов могут служить закарстованные территории Пермского Предуралья. Так, на предпоследней стадии (Д) развития находится диссонантный рельеф карстового массива Полазненского п-ова, возраст которого оценивается приблизительно в 250 тыс. лет [7]. Согласно исследованиям последних лет к данной стадии развития также можно отнести консонантный и диссонантный рельеф карстовых массивов на территории г. Кунгура, пос. Усть-Кишерть, пгт Суксун, пос. Октябрьский и ряда других населенных пунктов.
Заключение
Геоморфологическое строение оказывает существенное влияние на развитие и распределение карста. Согласно В.С. Лукину [5] тесная связь между подземными формами карста и карстовым рельефом позволяет с успехом применять геоморфологические методы для оконтуривания закарстованных зон. При рассмотрении геоморфологического строения закарстованных территорий необходимо оперировать показателями, в наибольшей степени отвечающими условиям и стадийности формирования карстового рельефа.
В самом же общем случае наиболее безопасные участки на поверхности земли в отношении карстообразования и протекания карстово-суффозионных процессов в строении подземного карстового рельефа представлены останцами коренных карстующихся пород. Межостанцовые депрессии характеризуются повышенной трещиноватой расчлененностью и широким развитием суффозионных процессов в карстово-обвальной толще. Они же являются наиболее опасными участками [1].
Рецензенты:Наумов В.А., д.г.-м.н., профессор, директор естественнонаучного института, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;
Наумова О.Б., д.г.-м.н., профессор, заведующая кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых геологического факультета, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 16.12.2014.
Библиографическая ссылка
Щербаков С.В., Катаев В.Н. ОСОБЕННОСТИ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ КАРСТОВЫХ МАССИВОВ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12-4. – С. 774-778;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36187 (дата обращения: 16.08.2024).