ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 5, с. 554-557
ГЕОЛОГИЯ
УДК 556.332.4:556.332.46
К ВОПРОСУ О ПРОНИЦАЕМОСТИ И ФИЛЬТРАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ
ЗОН КАРСТОВЫХ НАРУШЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ МЕЩЁРСКОЙ НИЗМЕННОСТИ) © 2015 г. А. В. Мохов
Представлено академиком РАН Г.Г. Матишовым 05.09.2013 г.
Поступило 16.09.2013 г.
DOI: 10.7868/S086956521511016X
Карстовые геологические нарушения широко распространены, отражая присутствие и активную суффозию водорастворимых пород и проявляясь в виде дизъюнктивных и пликативных структур горного массива и земной поверхности. Генерация этих нарушений связана с гравитационным смещением стенок карстовой полости.
Присутствие и формирование карстовых нарушений оказывает большое влияние на проницаемость породных толщ, направление и интенсивность движения подземных вод, соотношение подземного и поверхностного стоков и тем самым — на состояние окружающей среды и условия жизнедеятельности человека.
В рельефе эти нарушения часто проявляются в виде котловин, провалов, воронок. Две последние формы имеют, как правило, сквозной по отношению к своду карстовой полости характер и являются гидрогеологическими окнами. Обычно присутствие в полости упавших обломков пород, развитие вторичных оперяющих трещин, областей разуплотнения внутри закарстованного массива и вне его.
Гидрогеологические исследования зон карстовых нарушений сконцентрированы на выявлении общих закономерностей образования и размещения, морфологических характеристик каналов фильтрации. Исследованиям проницаемости не уделяют большого внимания, поскольку ее, как правило, постулируют заведомо весьма высокой. Обычно подразумевают, что возникающие каналы имеют воронковидный облик и выходят на земную поверхность. Однако такие представления отражают частные случаи и оправданы только в условиях развития сквозных в разной степени открытых или заполненных обломками пород
Институт аридных зон Южного научного центра Российской Академии наук, Ростов-на-Дону E-mail: mokhov av@mail.ru
каналов полостного типа. Фильтрационная структура и гидродинамические показатели пустотного пространства принадлежат к числу наименее изученных характеристик нарушений рассматриваемой группы.
В Мещёрской низменности в условиях повсеместного развития каменноугольных карбонатных толщ широко распространены карстовые котловины, провалы и другие нарушения, которые нередко формируются на глазах людей.
Карстующиеся породы перекрыты горизонтально залегающим плащом аргиллитоподобных юрских глин мощностью до 60 м и более молодых высокопроницаемых глинисто-песчаных отложений мощностью до 35 м [2].
В районе озерно-болотных и торфяных массивов центральной части низменности отмечена высокая водопроницаемость каменноугольных отложений. Будучи в целом региональным водо-упором, толща юрских глин также имеет здесь довольно существенную вертикальную проницаемость. Разгрузка и питание подземных вод кар-стующейся части массива связаны с развитием в глинах трещин субвертикальной ориентировки со следами скольжения на стенках. Выявлены интрузии и вынос глин в полости [1].
В [1] указано на возможность возникновения озер и болот над сильно закарстованными известняками в депрессиях, возникающих при провале или "просадке" глин над полостями. Без учета слоя илов глубина котловин болот и больших частей озер обычно не более 1.5 м. Для многих озер характерны также более глубокие участки, присутствие воронковидных понижений дна глубиной в десятки метров [1, 5] — до кровли каменноугольных отложений.
По данным электрогидродинамического моделирования вертикальная проницаемость толщи юрских глин центральной части низменности в целом может быть оценена коэффициентом вертикальной фильтрации (Квф) 0.0007—0.0011 м/сут [1].
Рис. 1. Схема деформаций горного массива в области сдвижения на участках подземных разработок угольных месторождений (вертикальный разрез).
1 — угленосный массив; 2 — угольный пласт; 3 — рыхлые и пластичные отложения; 4 — горная выработка с обрушенными породами; 5 — фильтрующие деформации сдвижения (5а — зона объемнораспределенных водопроводящих трещин, 5б — трещины обреза, 5в — обрушенные породы, 5г — разрыхленные породы); 6 — мульды оседания земной поверхности (6а — воронка, 6б — субпликативная структура, 6в — провал); 7 — потоки воды, газов.
Поскольку перетоки подземных вод осуществляются практически только на участках озер и болот (они занимают треть этой части низменности), то ^вф трещиноватых глин в основании этих элементов гидросети можно считать равными примерно 0.002-0.003 м/сут.
Обоснованность такого заключения подтверждают оценки на модели этого параметра в районе крупного Туголесского озерно-болотного массива. Здесь ^вф мезойско-кайнозойских отложений, т.е. фактически толщи юрских глин, 0.0025 м/сут [1].
Близкие значения проницаемости часто свойственны, по нашим данным, угленосным толщам в зонах сдвижения на участках шахтных разработок угольных залежей с обрушением кровли. Здесь ^вф полого и наклонно залегающих слоев аргиллитов и алевролитов вкрест наслоению внутри верхней и средней частей зон водопрово-дящих трещин сдвижения, формирующихся при прогибе массива, около 0.003 м/сут. Такие трещины — торцевые по отношению к слоям и простирающиеся вдоль напластования - довольно равномерно распределены в массиве, в связи с чем названы объемнораспределенными [4]. По своему расположению, конфигурации, глубине озер-но-болотные котловины — морфологические и морфометрические аналоги типовых мульд сдвижения поверхности над горными выработками на месторождениях угля и других твердых полезных ископаемых.
Для угольных шахт в условиях некрутого залегания слоев характерно резкое, вплоть до обрушения, перемещение прилегающей к выработке части потолочины. Выше нее в условиях очистной выемки на средних и больших глубинах происходит несвязный прогиб твердых пород с образованием объемнораспределенных водопроводящих трещин (ОВТ). При большой мощности твердой потолочины он переходит в связный прогиб с минимальным растрескиванием пород (1-я траектория трансформации). В условиях очистной выемки на небольших глубинах, низкой кратности
подработки или повторных подработках поверхности характерным становится площадное про-валивание подработанной толщи вдоль границ выработанного пространства по сбросовым контактам с образованием здесь водопроводящих трещин обреза (2-я траектория). Над выработками небольшой ширины получает развитие обрушение пород в виде куполения с образованием локальных полостей, нередко выходящих на земную поверхность (3-я траектория). В раздельно-зернистых и пластичных породах возникают области разуплотнения и сжатия.
Принципиальная схема распространения деформаций горного массива над выработанным пространством угольных шахт представлена на рис. 1.
Как можно судить по материалам изучения карстовых нарушений (например, на Ленинградском месторождении горючих сланцев [3]), своды карстовых полостей деформируются здесь по 1-й и 2-й траекториям.
Рассмотренные явления служат следствием кинематического подобия геомеханических преобразований массива в ходе обычного техногенного сдвижения, в первом случае, и генерации карстовых нарушений при протекании естественного сдвижения, во втором, несмотря на различия в динамике формирования выработок и полостей. Проводя аналогию, сделаем вывод, что в обоих случаях образуется пустотное пространство типологически близкой структуры.
Следствие развития геомеханических процессов по 1-й траектории — образование неглубоких отлогих понижений — субпликативных структур с "плоским" (по оседаниям) дном, по 2-й — провалов и воронковидных депрессий, по 3-й — воронок с различными характеристиками техногенного пустотного пространства в основании этих элементов рельефа. Плоское дно тарелковидных и провальных мульд поверхности, отдельных слоев и пачек слоев вписывается в проекцию контура выработанного пространства и при небольшой глубине разработки практически равновелико ему.
556
МОХОВ
Рис. 2. Схема деформаций горного массива на участках карстовых нарушений Мещёрской низменности (вертикальный разрез).
1 — каменноугольные карбонатные породы; 2 — толща юрских глин; 3 — юрские глины в полости; 4 — рыхлые или пластичные покровные отложения; 5 — карстовая полость; 6 — фильтрующие деформации (6а — зона объемнораспределенных водопроводящих трещин, 6б — водопроводящие трещины обреза, 6в — обрушенные породы, 6г — разрыхленные породы); 7 — мульды оседания земной поверхности-потенци-альные озерно-болотные котловины (7а — воронка, 7б - пликативная структура, 7в - провал).
Нестабильность профиля мульды сдвижения указывает на возможность развития над выработкой водопроводящих деформаций различного вида.
Инфильтрующая и/или водовыводящая поверхность тарелковидных мульд — аналога карстовых котловин или части котловин неглубоких болот, озер — приурочена к плоскому (по оседаниям) дну этих котловин. Проницаемость провалов связана с вторичной трещиноватостью вдоль их границы — протяженными трещинами обреза — и обычно велика. Водопроводящая способность воронок, как правило, весьма значительна, локального характера.
Можно заключить, что сходная картина деформаций массива, включая фильтрующие их разновидности, имеет место внутри карстовых нарушений Мещёрской низменности.
Отмеченная геоструктурная близость, совпадение значений вторичной проницаемости массива позволяют сделать по аналогии ряд выводов о вероятных фильтрационной структуре и гидродинамических показателях зон карстовых нарушений низменности.
Соответствие значений проницаемости юрских глин характеристикам зон ОВТ сдвижения мы рассматриваем как гидрогеологический признак формирования в глинах под котловинами многих болот и озер Центральной Мещёры водо-проводящих трещин, аналогичных по свойствам ОВТ.
Полученные данные служат указанием на подчиненность развития трещин обреза и второсте-пенность их вклада в водопроводимость глин центральной части низменности. Правомерен вывод о минимальном влиянии крупных водо-проводящих или водовыводящих воронковидных полостей, т.е. поноров и сифонных каналов, что
может быть объя
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.