научная статья по теме ГИДРОГЕОЛОГИЯ МАССИВОВ КАРСТУЮЩИХСЯ ПОРОД НА ПРИМЕРЕ РЕГИОНОВ УРАЛА Биология

Текст научной статьи на тему «ГИДРОГЕОЛОГИЯ МАССИВОВ КАРСТУЮЩИХСЯ ПОРОД НА ПРИМЕРЕ РЕГИОНОВ УРАЛА»

УДК 556.332.46(470.5)

ГИДРОГЕОЛОГИЯ МАССИВОВ КАРСТУЮЩИХСЯ ПОРОД НА ПРИМЕРЕ РЕГИОНОВ УРАЛА

А. Я. Гаев,

ведущий научный сотрудник, Оренбургский научный центр УрО РАН, gayev@mail.ru,

Ю. А. Килин,

зав. отделом, Институт «Пермгипроводхоз», gayev@mail.ru,

И. Н. Алферов,

доцент, Оренбургский государственный университет, alferof@rambler.ru,

Т. И. Якшина,

старший научный сотрудник, Институт экологических проблем гидросферы, maneb-or@mail.ru

Карсгующиеся породы и зоны сосредоточения карстовых вод занимают гипсометрически пониженное положение в рельефе. По мере его выравнивания уменьшаются показатели объема, но растет интенсивность карста, достигая максимума в переходной зоне, где формируется и основная часть крупных пещерных систем и полостей. При техногенезе карст становится круглогодичным, а интенсивность его растет на 2 + 3 порядка, с чем и связана высокая аварийность сооружений и коммуникаций.

Karsting masses and karst water reservoirs are situated at a lower position in the hypsometric pattern of the ground, and as the relief pattern grows more even the karst soils are found to be of less size but of greater intensity. The soils of the strongest karsting rate are located at the transition area where the majority of large cave systems and vesicles is situated and being formed. Under the technogene influence the karst processes take place all over the year and the karst process becomes 2—3 degrees more intense, which results in constructions and communication lines being under the great accident risk.

Ключевые слова: карст, подземные воды, высотная поясность, широтная зональность, сульфатные породы.

Keywords: karst, underground waters, high-altitude zones, latitudinal zonality, sulphate rocks.

На схемах гидрогеологического районирования России исследуемая территория относится к Уральской гидрогеологической складчатой области и Восточно-Русскому артезианскому бассейну с классом трещинно-карстовых вод тре-щинно-жильного типа для складчатых областей и пластового типа для платформенных артезианских бассейнов [1—3]. Развитию карста благоприятствует широкое распространение карстующихся пород, гумидный климат на значительной части территории, приподнятый и расчлененный рельеф местности. Хемогенные и хемогенно-обломоч-ные породы от кембрийского до пермского возраста вмещают зоны сосредоточения карстовых вод по тектоническим разломам и зонам сочленения структур. Формы классического карста на Уфимском плато развиты на площади 11,8 тыс. км2 при мощности зоны вертикальной циркуляции до 200 м, а переходной зоны до 20 м с подвешенными горизонтами, играющими роль емкостного регулятора ресурсов карстовых вод [4, 5]. В них сосредоточены основные эксплуатационные водные ресурсы бассейна. Мощность зоны постоянного горизонтального стока достигает 70 + 80 м и контролируется переуглубленным руслом р. Уфы до-акчагыльского возраста. За счет вод зоны сифонной циркуляции формируются мощные восходящие источники (Красный Ключ, Сарва, Тюба и др.), выходящие из карстовых колодцев глубиной до 40 м. Модули подземного стока достигают весной 78+300 л/сек • км2, зимой — всего 6,8+7,4, составляя в среднем 15,3 +16,2 л/сек -км2. Модуль подземного стока почти на порядок выше у реки, чем на водоразделе. НСО3—Са воды с минерализацией 400 + 580 мг/л в центре плато сменяются к периферии на Б04—Са с минерализацией 1500 + 2700 мг/л. На глубине 200 м сформировались воды сульфатного состава. На участке Ясыль-

ского лога с высокой закарстованно-стью пород лунежской пачки величина карстовой денудации достигает

3 2

45 м3/год • км2 (4-ый класс активности 0,045 %), возрастая в бассейне р. Ар до

3

1170 м 3. Развиты воронки, пещеры, трещины, каверны, подземные полости. Типичны карстовые реки с мешкообразной долиной, истоки их начинаются родниками, которые исчезают и появляются вновь, иногда вытекающие из пещер. Наиболее распространены карстовые воронки, количество которых на Красноясыльском поле площадью 19 км2 составило 2537 [5]. Воронки чаще всего располагаются цепочками с сохранившимися перемычками. Более зрелыми формами сульфатного карста являются карстовые и эрозионно-карс-товые депрессии с поперечником более 1 км, вытянутые вдоль восточного крыла Уфимского вала (Низковская, Дре-жинская, Бурцевская, Мазуевская и Суксунско-Советинская депрессии).

Там, где сульфатные породы выходят на поверхность земли и контактируют с подземными водами, формируются воды сульфатного типа, приобретающие уже на небольших глубинах повышенную минерализацию и жесткость. Количество проб воды сульфатного типа на Уфимском плато достигает 60 %. На участках, где имеют место процессы техногенеза, сформировались воды хлоридно-магниевого подтипа, а на участках животноводческих ферм и комплексов воды — азотного типа. Те и другие, как правило, не пригодны для хозяйственно-питьевого водоснабжения. В понижениях и в поймах рек, где имеют место четвертичные и более древние кайнозойские отложения, выявлены воды содового типа, составляющие по встречаемости до 10 % [2, 4, 6]. Гидрогеоэкологические проблемы территории обусловлены дефицитом вод хорошего питьевого качества.

По В. И. Вернадскому, в процессе развития открытой неравновесной системы вода — порода — газ — органическое вещество сформировалась вся гидросфера, атмосфера, биосфера, земная кора, осадочные, большая часть метаморфических и частично магматичес-

ких пород и возникла жизнь. При рассмотрении процессов взаимодействия в системе вода — порода выделяют: а) гидратацию дегидратацию; б) растворение с полным переходом в раствор вещества твердой фазы и в) выщелачивание с обменом и накоплением в растворе продуктов гидратации воды на ионы, входящие в структуру минералов. На границе раздела пород и вод молекулы воды проникают в кристаллическую решетку минералов с образованием новых минералов. В системе гипс— ангидрит гипсы тяготеют к верхней части зоны активного водообмена, а ангидриты замещают их ниже по разрезу, что обычно объясняют влиянием подземных вод, температуры и давления. Моделирование карстовых процессов показало, что основную опасность для сооружений и коммуникаций представляют деформации типа оседания и растяжения в карстовых депрессиях. К ним приурочены зоны сосредоточения подземных вод, деятельность которых интенсифицирует процессы.

Геолого-геофизические и дистанционные методы эффективны при прогнозе подземных карстовых форм. В переходной зоне карст протекает в 3+5 раз интенсивнее, чем в поверхностных условиях, а при техногенезе интенсивность его возрастает на 2+3 порядка за счет разрыхления пород в зоне аэрации при строительстве и повышения температуры на участках продуктопроводов, где карст становится круглогодичным процессом.

Установлена высокая эффективность доочистки вод на геохимических барьерах неконсервативных элементов, легко деградирующих и выпадающих из раствора в пористой и трещинно-по-ристой среде карбонатного и теригенно-карбонатного коллектора. К таким элементам относятся тяжелые металлы (Си, Сг, V, N1, Со и др.). При взаимодействии указанных пород с кислыми сульфатными растворами металлов установлена высокая степень сорбции породами ионов меди, хрома, цинка и др. при широкой вариации в природных водах концентраций ионов и солей Са, М^, Ее. При этом установлено [1, 2, 4, 6]:

1) основное значение играет эффект диффузии и поглощение компонентов-загрязнителей веществом породы; 2) коэффициенты диффузии компонентов в пористых средах можно вычислить, зная пористость пород и коэффициенты диффузии в свободном объеме; 3) коэффициенты диффузии неконсервативных компонентов в породах на 1 + 5 порядков ниже, чем в свободном объеме жидкости; 4) известняки и песчаники на карбонатном и карбонатно-глинистом цементе являются наиболее активными породами, которые рекомендуется использовать в качестве геохимических барьеров для очистки вод от неконсервативных компонентов-загрязнителей.

Анализ результатов натурных исследований по определению скорости растворения сульфатных пород показал [4, 6], что: 1) при использовании метода стандартных таблеток из гипса и ангидрита с включениями доломита за восемь лет образцы потеряли до 51 % веса; 2) при этом повысилась минерализация вод на поверхности озера в пещере; 3) при температуре воды от 3,0 до 4,4 °С и воздуха 2,9+4,4 °С на поверхности воды появляется пленка из кальцита с включением редких кристаллов гипса; 4) в периоды весеннего и меньше осеннего периода подъема уровня воды повышается скорость растворения сульфатных минералов; 5) в зоне сезонных и многолетних колебаний уровня тре-щинно-карстовых вод минерализация и содержание в них сульфат-иона снижаются в результате смешения с менее минерализованными речными водами;

6) максимальные потери веса образцов приурочены к зоне сезонных и многолетних колебаний уровня карстовых вод;

7) при низких температурах скорость растворения ангидрита с доломитом в сульфатных водах оказалась в 1,7 раза выше, чем гипса. Процессы растворения зависят от сезонно меняющейся величины дефицита насыщения воды сульфатом кальция [7]. При выравнивании сорбционной способности образцов, что в эксперименте произошло через 9 лет, скорости их растворения выровнялись. На поверхности земли гипс растворяется интенсивнее, чем ангид-

рит (с доломитом). В почве процессы растворения тех и других активизируются в весенне-летний период. В целом, эксперименты подтвердили высокую активность сульфатного карста по сравнению с карбонатным, особенно, в условиях зоны сезонных и многолетних колебаний уровня трещинно-карс-товых вод.

С массивами карстующихся пород связаны опасные геологические процессы, наносящие существенный экономический ущерб сельскому хозяйству, промышленности, транспорту, разработке месторождений полезных ископаемых, населению, растительному и животному миру. Они нарушают экологическое равновесие. Карстопроявления на поверхности земли только в Пермской области развиты в 20 административных районах, в том числе на территории городов, районных центров, рабочих поселков, таких как Александровск, Гремячинск. Губаха, Кизел, Кунгур, Чусовой, Октябрьский,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком