Лаборатория геологии техногенных процессов
Максимович Н.Г. Особенности эволюции земной коры в районах развития карстующихся карбонатных пород // Литология и нефтегазоносность карбонатных отложений : Материалы Второго Всерос. литол. совещ. и Восьмого Всерос. симпоз. по ископаемым кораллам и рифам, 5-7 июня 2001 г., Сыктывкар. - Сыктывкар, 2001. - С.44-45.
Особенности эволюции земной коры в районах развития карстующихся карбонатных пород
Максимович Н.Г.
Карбонатные отложения широко распространены на Земном шаре. В пределах континентов площади занимаемые известняками, доломитами, мраморами, мелом составляют до 40 млн. км2 [1]. Карбонатные отложения имеют относительно высокую растворимость. Это обусловливает развитие карстовых процессов, что придает участкам распространения карбонатных пород ряд специфических особенностей.
Закономерности распространения карста определяются исторически сложившимися в течение геологической истории условиями и факторами, главнейшими из которых являются наличие карстующихся пород, их состав, трещиноватость и условия залегания [1]. Карст проявляется в особых обстановках, а именно на участках земной коры с положительными тектоническими движениями, сопровождающимися трещинообразованием, где карстующиеся породы находятся в зоне интенсивного водообмена. Области распространения разновозрастных карстующихся пород в зависимости от гидрогеологических условий подразделяются на два типа: 1) вероятного развития древнего карста, где карстующиеся породы находятся в зонах затрудненного и застойного водного режима; 2) активного современного карста, где эти породы выходят на поверхность или залегают неглубоко от нее в зонах активного водообмена артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов. На одном и том же участке земной коры в зависимости от его геологической истории, тектонического режима в разрезе могут фиксироваться проявления нескольких эпох карстообразования, соответствующих гидрогеологический циклам.
Тектогенез новейшего этапа развития геоструктур находит отражение в особенностях рельефа (глубине вертикального расчленения), мощности зоны активного водообмена и карстования. Например, мощность зоны активного карстообразования на платформах обычно не превышает150—200 м, а в горно-складчатых областях достигает тысячи метров и более, что благоприятно для образования вертикальных полостей. Например, наиболее глубокая в мире шахта Крубера (Воронья) в Абхазии имеет глубину 1750 м. Карст активно протекает в зоне гипергенеза и относится к экзогенным процессам, зависящим от физико-географических, в частности климатических условий (соотношения тепла и влаги). Как экзогенный процесс карст подвержен на равнинах (платформах) широтной, а в горах — высотной зональности. Карст обусловливается не только азональными структурно-геологическими (тектоникой, контролирующей распределение карстующихся пород различного возраста и состава), но и зональными климатическими условиями. При выявлении обстановки карстообразования необходимо учитывать эти две группы условий [2].
Эволюция подземной и поверхностной гидросферы в условиях карста отличается рядом особенностей. Карст, обусловленный деятельностью подземных вод в проницаемых породах, сопровождается формированием трещинно-карстовых, порово-каверновых и пещеристых коллекторов. Карстовые воды в результате растворения расширяют пути движения вплоть до каналов и пещер, т.е. сами формируют коллектора, которые могут достигать значительных объемов. Карстовые коллектора развиваются по двум схемам: первичная трещина — закарстованная трещина — канал — полость — пещера — сложная пещерная система; первичная пористость — вторичная пористость и кавернозность — пещерность. Они образуются при движении карстовых вод от области питания к области разгрузки и различно ориентированы в пространстве: от вертикальных до наклонных, ступенчатых, многоэтажных, горизонтальных полостей.
Другой особенностью подземной гидросферы карстовых областей, вытекающей из наличия развитой сети коллекторов, является высокая водообильность закарстованных пород. В местах разгрузки карстовые воды питают мощные источники, такие как Воклюз (Франция), с расходом до 150 м3/с. Обод — до 60 м3/с, Требишница (Югославия) — свыше 200 м3/с. Для приморских карстовых районов характерна субмаринная разгрузка карстовых вод. Горные карстовые области, где карбонатные толщи осложнены разрывными нарушениями, отличаются концентрацией подземного стока в закарстованных тектонически нарушенных зонах в виде подземных потоков, расположенных на разных гипсометрических уровнях.
Особенностью типичных карстовых областей является тесная взаимосвязь поверхностной и подземной гидросферы. Поверхностные реки и подземные карстовые воды образуют единую гидролого-гидрогеологическую систему.
Карстовые процессы сопровождаются изменением состава, структуры, текстуры карстующихся пород, образованием гидрогенных минералов, разных типов осадков, осадочных пород и связанных с ними полезных ископаемых — минеральных вод, бокситов, железных руд, фосфоритов, россыпных месторождений и др. К карбонатным карстовым коллекторам приурочено 40 % нефти и значительный процент газа [3]. Процессы формирования полостей и их заполнения создают фациальные неоднородности в толще пород. Это приводит к анизотропии карстующегося массива, что отражается на его гидрогеологических свойствах. Следствием карстовых процессов является преобразование рельефа, появление своеобразных поверхностных и подземных форм, в значительной степени определяющих условия питания, подземного стока и разгрузки.
Изменения, происходящие в процессе эволюции участков земной коры, сложенных карстующимися породами, на современной этапе приобретают социально-экономические аспекты в связи с использованием карстовых вод и минеральных ресурсов, строительством на закарстованных, неблагоприятных в инженерно-геологической отношении участках, антропогенной активизацией карста и спецификой охраны окружающей среды в карстовых районах.
Так, например, закарстованность карбонатных пород Кизеловского угольного бассейна послужила одной из причин формирования неблагоприятной экологической обстановки. Здесь угленосная толща нижнего карбона (песчаники, алевролиты, аргиллиты, пласты каменного угля) залегает среди карбонатных пород. Толща прошла начальный диагенез, поздний глубинный эпигенез, начальный метагенез, с которыми связано образование пирита, кальцита, сидерита и гипса. Тектонические структуры бассейна сформировались в заключительный этап герцинского орогенеза.
Современная структура карстовых массивов закладывалась в естественных условиях олигоцен-миоцена в результате деятельности водных потоков, направленных по простиранию трещиноватых известняков к глубоко врезанным речным долинам, что и обусловило их закарстованность до глубины 1000—1100 м.
Карст региона относится к голому и покрытому типам [4], что является одним из факторов зависимости режима карстовых вод зоны активной циркуляции от режима атмосферных осадков. Условия добычи угля вследствие дислоцированности толщи, больших глубин разработки (до 1000 м) и закарстованности вышележащих известняков сложные. Водопритоки в шахты достигают в зонах карста 2500 м3/час.
Химический состав шахтных вод зависит от содержания в угленосной формации пирита, карбонатов и рассеянных элементов. При содержании пирита более 4 % воды, вследствие его окисления, приобретают кислую реакцию (pH=2—3) и сульфатный состав. Сульфатные железисто-алюминиевые, натриево-кальциевые воды имеют минерализацию 2,5—19 г/л. В ходе эксплуатации месторождения, в связи с увеличением водопритоков, воздухообмена и объема пород, вовлеченных в геохимические процессы, минерализация шахтных вод может возрастать до 35 г/л. В кислой шахтной воде по сравнению с природной на несколько порядков повышается содержание свинца, меди, цинка, серебра, никеля, кобальта и др. [5].
Шахтные воды без очистки сбрасываются в местную гидросеть. Малые реки до впадения в них шахтных вод имеют HCO3-Ca-Na гидрохимическую фацию, минерализацию 90—150 мг/л и близкую к нейтральной реакцию среды. Ниже по течению стока шахтных вод они приобретают SO4-Fe-Al состав при минерализации от 640 до 6000 мг/л. Содержание SO4 составляет от 1000 до 3700, железа — от 70 до 900, алюминия — от 11 до 160 мг/л при рН 2,5—2,9.
При сбросе кислых шахтных вод в карстовые полости происходит их нейтрализация и выпадение железосодержащего осадка, заполняющего карстовые пустоты. Это сопровождается уменьшением подземного и увеличением поверхностного стока. Загрязненные воды, частично очищавшиеся ранее при прохождении по трещинам и полостям в карбонатных породах, впадают в реки.
Приведенные примеры показывают, что в областях распространения карбонатных отложений, где имеются условия для развития карста, складываются специфические условия, которые необходимо учитывать при поисках и разработке полезных ископаемых, оценке гидрогеологических и инженерно-геологических условий, а также при решении экологических проблем.
Литература
- Максимович Г. А. Основы карстоведения. — Пермь, 1963. Т. 1. — 446 с.
- Горбунова К.А., Максимович Н. Г. Типы обстановок карстообразования на территории СССР // Инженерная геология.-1988.-N4.-С.93—97.
- Максимович Г.А., Быков В. Н. Карст карбонатных нефтегазоносных толщ. Пермь, 1978. — 96 с.
- Горбунова К.А., Андрейчук В. Н., Костарев В. П., Максимович Н. Г. Карст и пещеры Пермской области. — Пермь, 1992.- 200 с.
- Катаев В.Н., Максимович Н. Г., Блинов С. М. Загрязнение карстовых вод Кизеловского угольного бассейна // География и природные ресурсы.-1995.-N1.-С.57—60.
|
|
|
