ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.114
ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КАРСТА
В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
© 2015 г. В. П. Зверев, И. А. Костикова
Институт геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН, Уланский пер, д. 13, стр. 2, Москва, 101000 Россия. E-mail: zverev@geoenv.ru
Поступила в редакцию 01.10.2014 г.
Карст рассматривается как геологический и физико-химический процесс взаимодействия природных вод с растворимыми горными породами. Его развитие возможно только при наличии неравновесных условий в системе подземные воды и конгруэнтно растворимой горной породы. Показано, что активный процесс образования карста, приводящий к образованию подземных полостей и ходов, возможен при наличии конвективного массопереноса растворенного вещества, способного в сравнительно короткие отрезки времени перераспределять значительные его массы. Особенности развития карста рассмотрены на примерах его образования в карбонатных, сульфатных и хлорид-ных растворимых горных породах.
Ключевые слова: карстовый процесс, методы изучения, подземные воды, растворение, термодинамический анализ, индекс неравновесности, карст в известняках, гипсах и каменной соли.
Необходимость изучения карстового процесса в нашей стране наиболее остро обозначилась в конце 1930 - начале 1950 гг. в связи с началом проектирования и строительства крупных гидроэлектростанций в бассейне р. Волги, где в их основании часто залегали растворимые горные породы: известняки и гипсы [23]. Большую роль в изучении карста сыграли и освоение месторождений полезных ископаемых, расположенных в районах распространения растворимых горных пород, и активное строительство промышленных объектов, проводившееся на начальных этапах без достаточно профессионального инженерно-геологического сопровождения.
Важнейшим этапом изучения карста в нашей стране стало проведенное Отделением геолого-географических наук АН СССР в 1956 г. Научное совещание по изучению карста [36], на котором были подведены итоги его исследования, но, в то же время, выявлены различные подходы к изучению карста, обусловленные в основном научными интересами исследователей: геологов, инженер-геологов, географов и гидрогеологов.
Несмотря на то, что с того времени прошло более полувека, методологические подходы к изучению карста остались прежними.
Наибольшее развитие получили работы географического направления [4-7, 14, 21-23, 35 и др.], включающие исследования морфологии поверхностных форм проявления карста: провалов, воронок, карров, польев, создающих специфический кастовый ландшафт, и позволяющих проводить районирование территорий по степени распространения карста. Обычно развитие карстового процесса в том или ином районе устанавливается по проявлению поверхностных карстовых форм - воронок и провалов. Воронки, как правило, имеют достаточно древнее происхождение, а провалы образуются в современное время, но об их возникновении в большинстве случаев становится известно обычно уже постфактум.
Естественно, что в последнее время наибольшее внимание стали уделять исследованиям механизмов образования современных карстовых провалов, реализуемых в более молодых осадочных толщах, перекрывающих растворимые горные породы [1, 2, 18, 30, 36-39 и др.]. Это как механические карстово-провальные формы, образующиеся в результате обрушения кровли полостей карстового происхождения, так и карстово-суф-фозионные процессы, возникающие в районах перекрытия растворимых пород песчаными толщами и связанные с изменением гидродинами-
ческого режима подземных вод. Все это лишь косвенно указывает на современную реализацию процесса и не позволяет надежно прогнозировать его развитие в будущем ни в пространстве, ни во времени.
Собственно карст, как показали Ф.П. Саварен-ский [33] и Д.С. Соколов [34], - это геологический и физико-химический процесс взаимодействия природных вод с растворимыми горными породами, который неизбежно развивается там, где имеется одновременное сочетание растворимых и водопроницаемых горных пород и растворяющих их движущихся подземных вод.
К сожалению, в последние десятилетия применение гидрогеохимических и физико-химических методов изучения процессов развития карста из-за их большой трудоемкости и недостаточно высокого профессионализма изыскателей существенно снизилось.
В связи с этим авторы считают необходимым остановиться на этом, по их мнению, необходимом направлении изучения карста более подробно.
Основные хорошо растворимые породообразующие минералы - кальцит, доломит, гипс, ангидрит и галит. Растворимость кальцита, входящего в состав известняков, мергелей, мела, мрамора и т.п., в дистиллированной воде - 0.013 г/л, а в природных водах в зависимости от давления СО2 достигает первых сотен миллиграммов на 1 л. Растворимость гипса изменяется от 2.1 г/л в маломинерализованных водах до 7.3 г/л в растворах №С1. Наибольшей растворимостью обладает галит - до 318 г/л.
Как и всякая гетерогенная реакция взаимодействия воды и породы, образование карста складывается из трех отдельных стадий [9]:
• поступление растворителя - природных вод к поверхности горной породы (известняков, доломита, гипса, каменной соли),
• собственно процесс конгруэнтного растворения, при котором вещество пород полностью переходит в растворенное состояние,
• удаление растворенных в воде продуктов реакции от поверхности растворения.
Поскольку параметры системы, в пределах которой происходит образование карста, практически неизменны, растворение пород в подземных водах обусловливается величиной градиента концентрации между жидкой фазой и насыщенным пограничным слоем, существование которого
предполагается на поверхности растворяющегося тела.
Взаимодействие между горными породами и природными водами, изменение минерального вещества которых направлено к равновесию с гидрогеохимической средой, можно рассматривать как отдельные химические реакции растворения [17]. Начальные продукты этих реакций - растворимые минералы и вода, конечные - ионы и нейтральные молекулы, перешедшие в результате взаимодействия в жидкую фазу, или, если начальное минеральное вещество полностью перешло в водный раствор, только последние. Для каждой реакции растворения определены и табулированы термодинамические константы равновесия для стандартных условий - K°.
Энергетически каждая реакция определяется суммой свободных энергий образования продуктов реакций в их свободном состоянии (Дб^род.^ащ.) минус сумма свободных энергий образования исходных веществ в их свободном
состоянии (ДС°ИсХОд. вещ.):
g° = дг° - ДГ°
реакц прод. реакц Д исход. вещ"
Свободная энергия реакции в стандартном состоянии (С°еакц) связана с константой равновесия следующей зависимостью: Д^<реакц = -1.364 ln K°. Используя понятие активностей и переходя к десятичным логарифмам, это уравнение можно записать в виде, где Т - температура реакции:
Д^реакц/(2.303Т) = lg апрод. реакц/аисход. вещ - lgK ,
lgK°/(an
Ja„
ц) = ДСреакд/(2.3037Г).
прод. реакц исход. вещ реакц
Используя эти соотношения, можно подойти к оценке равновесно-неравновесных условий, существующих между природными водами и практически любым минералом. В стандартных условиях (25 °С и 1 атм), близких к условиям поверхностных и приповерхностных частей земной коры, степень неравновесности природных вод с определенным минералом рассчитывается для конкретной системы, содержащей химические элементы, входящие в состав данного минерала, по уравнению
1 = lg (апрод. реакц/аисход. вещ)/K = lg Q/K ,
где Q - квотант реакции [3].
Т. Пачес [41] степень неравновесности назвал индексом неустойчивости (disequilibrium index). Чем меньше величина I, тем дальше находится рассматриваемая система от состояния равновесия, и тем больше неравновесность природных
вод по отношению к изучаемому минералу. Изучение равновесно-неравновесного состояния между различными типами подземных вод и основными породообразующими минералами в системе вода - растворимая порода, позволяет судить о возможности их растворения в условиях данной гидрогеохимической среды, т.е. является первым и необходимым шагом в изучении процессов развития карста.
Характер растворения во многом связан с распределением свободной энергии поверхностного слоя минерала. В общем виде чем выше свободная энергия на поверхности минерала, тем более растворим и реакционно способен кристалл в этом месте. Обычно это участки дислокаций, где при взаимодействии кристалла с раствором образуются конические ямки травления. При высоких значениях агрессивности раствора удаление вещества контролируется конечными скоростями диффузии растворяемых компонентов. В результате углы растворяются быстрее, чем ребра, а ребра быстрее, чем грани. Кристалл при растворении стремится принять форму сферы или эллипсоида.
Поскольку мелкие частицы имеют очень большую поверхность, свободная энергия поверхности вносит значительный вклад в общую свободную энергию частиц. Следует отметить, что поверхностная свободная энергия в водных системах всегда положительна. Небольшие частицы всегда менее устойчивы и растворяются быстрее, чем крупные. Скорость процессов растворения кальцита, ангидрита, гипса и галита контролируется режимом диффузионного массопереноса [40].
Начальная скорость растворения наиболее распространенных минералов [16] варьирует в широких пределах: от 10-17 до 10-7 моль/см2с. Скорость растворения минералов во многом определяет время достижения равновесия в системе вода -порода.
Физико-химические, термодинамические и кинетические методы изучения взаимодействия в системе вода - порода впервые были использованы Н.В. Родионовым [31], Д.С. Соколовым [34], В.П. Зверевым [8] и другими исследователями для выделения участков развития современного карстового процесса в конкретных геологических и гидрогеологических условиях изучаемого района.
Собственно карстовый процесс, приводящий к образованию подземных полостей и ходов, возможен при наличии конвективного массоперено-са растворенного вещества подземными водами,
способного в сравнительно короткие отрезки времени перераспределять значительные массы. При движении подземных вод по тр
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.