по материалам: Климчук А.Б. Гипогенный спелеогенез, его гидрогеологическое значение
и роль в эволюции карста. - Симферополь: ДИАЙПИ,2013. - 182 с.

 

Развитие представлений о карстообразовании

В последнее десятилетие в мировой карстологии происходит интенсивное развитие теоретических и региональных исследований гипогенного карста, формирующегося на различных глубинах, вне непосредственной связи с поверхностным питанием. Возрастает осознание широкого глобального распространения такого типа карста и его большой роли в подземном водообмене, формировании гидрогенных месторождений полезных ископаемых и факторов геологической опасности при хозяйственной деятельности в карстовых регионах. Этим определяется настоятельная потребность обобщения и систематизации нового знания, развития и совершенствования понятийных и методологических основ как собственно учения о гипогенном карсте, так и карстологии в целом, система понятий которой должна быть адаптирована к новому пониманию места и роли гипогенных процессов в общей эволюции карста (Климчук, 2013).

В карстологии исторически сложилось господство понятия о карсте и его генетических моделях, развитых применительно к условиям гидрогеологической раскрытости толщ растворимых пород. В таких условиях карстовые системы развиваются в непосредственной генетической и функциональной связи с поверхностным питанием и имеют яркое геоморфологическое выражение. Эти представления получили разностороннее обоснование как на концептуальном уровне, так и на уровне физических и численных моделей.

Потенциал карстообразования в гидрогеологически закрытых условиях оставался до недавнего времени недооцененным и плохо сочетаемым с традиционной парадигмой карста, а закономерности и механизмы такого карстообразования до сих пор остаются слабо исследованными. Карстопроявления, документируемые в на глубинах в сотни метров и километры при бурении, горнопроходческих работах и геофизическими методами, обычно трактовались как формы палеокарста, то есть близповерхностного карста, сформированного в прежние эпохи экспонирования, но погруженного вместе с вмещающими толщами под покров более молодых осадков. Соответственно, концептуальные модели и закономерности карстообразования в открытых условиях переносились на глубинный карст, несмотря на многочисленные противоречия. При этом приуменьшались масштабы распространения собственно глубинного карста.

Показательно, что характеристики наблюдаемой в близповерхностных условиях закарстованности также далеко не всегда вписываются в традиционные концепции и модели "открытого" карста. При этом обычно не учитывается возможность изначального формирования карста в глубинных обстановках с последующим выведением в экспонированные условия. Этими обстоятельствами и противоречиями объясняется низкая эффективность традиционных моделей карста в приложении ко многим практическим проблемам гидрогеологии, инженерной геологии, рудной и нефтегазовой геологии.


Генетические типы карста

В формировании карста главенствующую роль занимает развитие каналовой проницаемости, то есть процесс спелеогенеза. Тип спелеогенеза, в свою очередь, определяет генетические типы карста верхней части земной коры (Климчук, 2010, 2013).

Генетические типы карста обособляются вследствие кардинальных различий граничных условий, литолого-структурных предпосылок, геогидрохимических условий и гидродинамических режимов водообмена и спелеогенеза, а также различий в эволюции карстовых систем.

В пределах верхней части земной коры выделяются два основных генетических типа карста:

1) Эпигенный (гипергенный) тип

В открытых условиях эпигенного карста питание поступает с поверхности, а базис дренирования определяется эрозионными врезами. После установления режима спелеогенного развития на всем пути от контура питания к участку разгрузки возможность увеличения расхода и поддержания быстрого роста фреатических каналов определяется главным образом доступным количеством питания с поверхности. Соответственно, дальнейшее развитие каналов сопровождается конкуренцией за расход и поверхностное питание, что обуславливает возрастание концентрированности последнего и тесную генетическую связь между спелеогенезом и поверхностным карстовым морфогенезом. При дальнейшем спелеогенном развитии "успешных" каналов питания оказывается недостаточно для поддержания градиента, свободная поверхность подземных вод в массиве быстро снижается почти до уровня базиса дренирования, а каналы продолжают развиваться, а затем деградировать (заполняться, разрушаться) в зоне аэрации.

Механизм эпигенного спелеогенеза использует в наиболее сильной форме обратную связь между расходом и ростом каналов, причем не только на стадиях раннего спелеогенеза и инициирования, но и в ходе дальнейшего развития. Постоянная высокая конкурентность в эволюции каналов обуславливает формирование преимущественно древовидных каналово-полостных структур и резкое возрастание неоднородности и анизотропии проницаемости. Ввиду прямой связи каналово-полостных систем с поверхностью и адаптацией последней под наиболее эффективное питание таких систем, режим источников характеризуется большими вариациями расходов. Эпигенный спелеогенез усиливает латеральную гидравлическую интеграцию массивов и горизонтов растворимых пород (Климчук, 2013).

Эпигенный спелеогенез наиболее изучен и потому ранее считался «традиционным», «классическим» механизмом образования структур каналовой проницаемости, в отличие от гипогенного спелеогенеза, который признан широко распространенным лишь за последнее десятилетие (Speleogenesis: Evolution of Karst Aquifers , 2000).

 2) Гипогенный тип

Гипогенный спелеогенез представляет собой развитие полостей и каналов под растворяющим действием восходящих вод в напорных водообменных системах, связанных с удаленными, отделенными (слабопроницаемыми слоями и толщами) или внутренними источниками питания (Климчук, 2013). Его развитие происходит в гидрогеологически закрытых условиях.

После наступления фазы прорыва спелеогенная конкурентность каналов, характерная для эпигенного спелеогенеза, ослабляется из-за контроля над расходом проницаемостью смежных слаборастворимых слоев. В результате рассеянного и равномерного развития каналов при наличии соответствующих структурных предпосылок формируются лабиринтовые, кластерные или линейные прерывистые каналово-полостные структуры, характеризующиеся однообразными размерами и морфологией.

В действии описанного механизма ослабления обратной связи водообмен-растворение состоит фундаментальная генетическая причина отличий гипогенного спелеогенеза от эпигенного, и основная причина различий в структуре и морфологии соответствующих каналово-полостных систем.

Концептуальное представление водообменных систем эпигенного и гипогенного карста

Концептуальное представление водообменных систем эпигенного (А) и гипогенного (Б) карста. Система гипогенного карста показана в варианте артезианского сквозьпластового спелеогенеза в пластовой водонапорной системе (Климчук, 2013).

 Ввиду значительной специфики спелеогенеза в литогенетически незрелых породах в прибрежно-островных обстановках молодых карбонатных платформ, некоторые авторы предлагают выделять отдельный тип 3) прибрежно-островного галоклинного карста. Однако, спелеогенез в этих обстановках развивается, в зависимости от гидрогеологических условий и выраженности слоистой неоднородности поровой проницаемости либо по гипогенному, либо по эпигенному механизмам (Климчук, 2013).


Эволюционные типы карста

Эволюционный подход к типологии карста основан на рассмотрении всей геологической эволюции тела карстующихся пород и водообменной системы на фоне цикличности и направленности геологического развития (Климчук, 2010, 2013). Различные стадии постседиментационного преобразования пород и развития водообменных геосистем характеризуются определенными устойчивыми комбинациями литологических и структурных предпосылок водообмена и спелеогенеза, режимов водообмена, условий питания, движения и разгрузки подземных вод, термобарических и геогидрохимических условий, вызывающими формирование карстовых систем с определенными характерными свойствами – генетических типов карста. Направленность геологического развития, выраженная процессами тектонической, геоморфологической и гидрогеологической эволюции, определяет изменение граничных условий водообмена и спелеогенеза и закономерную смену эволюционных типов карста. Таким образом, эти типы интегрально характеризуют наиболее существенные свойства карстовых систем и обстановок их развития, доминантные механизмы спелеогенеза, степень и характер выраженности карстовых систем в рельефе, гидрогеологические особенности, потенциал провально-просадочной опасности, а также потенциал унаследования структур пустотности и проницаемости от предшествующих стадий.

Карст, который развивается в молодых, диагенетически незрелых, растворимых породах, не испытавших погребения, называется сингенетическим или эогенетическим (рис.). Большинство формаций в нормальном геологическом цикле испытывают погружение и погребение под более молодые осадки (с соответствующими катагенетическими преобразованиями), а затем - поднятие с выводом в зону гипергенеза и экспонированием на поверхность. Постседиментационное закарстование растворимых пород может происходить (непрерывно или прерывисто) на любой стадии этого цикла, однако условия карстообразования закономерно различаются по стадиям развития в цикле погребения и раскрытия. Карст, развивающийся на глубине под ранее накопленным покровом осадков и не имеющий поверхностного выражения, называется закрытым. Спелеогенез в закрытых условиях почти всегда гипогенный. На восходящей ветви цикла выделяются следующие последовательно сменяющиеся типы карста, характеризующиеся возрастающей степенью раскрытия и вовлеченности поверхностных факторов: приоткрытый, взрезанный и раскрытый. Соответственно, ранее заложенные карстовые системы испытывают завершающие фазы гипогенного развития, становятся реликтовыми или могут частично перерабатываться эпигенным спелеогенезом, который на определенной стадии становится доминирующим. Начиная со стадии приоткрытого карста, карстовые системы в возрастающей степени взаимодействуют с поверхностными условиями и факторами, а их наличие и развитие становится одним из ведущих факторов рельефообразования. 

В неблагоприятных условиях, существенное гипогенное закарстование в закрытых условиях может не происходить вообще, а развитие карста, целиком эпигенного, может начаться лишь после частичного или полного экспонирования пород на поверхность. Последняя ситуация характеризует тип открытого карста. Раскрытый и открытый карст различаются по своей эволюционной истории и наличию карстопроявлений, унаследованных от предшествующих стадий.

Развитие покрова на экспонированных карстующихся породах, который формируется сингенетично с закарстованием, создает покрытый карст. Повторные циклы погребения уже закарстованных пород под более молодые (чем карст) осадки создают обстановки погребенного карста. Новое экспонирование погребенного карста создает откопанный карст.
Таким образом, в зависимости от места эволюционных типов карста в ряду развития, они могут включать системы пустотности и каналовой проницаемости, сформированные на предшествующих стадиях карстовой эволюции, в той или иной степени реликтовые по отношению к данному типу карста. Эволюционные типы-стадии карста кумулятивно отражают его генезис. Более поздние стадии обычно характеризуются полигенетичным карстом, кроме открытого карста, прямо и исключительно соответствующего генетическому типу эпигенного карста.

Начиная со стадии приоткрытого карста, карстовые системы в возрастающей степени взаимодействуют с верхней гидродинамической границей и прочими поверхностными условиями и факторами, в связи с чем радикально изменяются граничные условия водообмена и развития карстовых систем. Карст становится одним из ведущих факторов рельефообразования и формирования гидрологических особенностей территорий.

эволюционные типы карстаЭволюционные типы карста и их соотношение с генетическими типами (по Климчуку, 2010).

AV Speleogenesis: Evolution of karst aquifers. Huntsville. -2000. -127с.
Bogli A.  Mischungskorrosion - ein Beitrag zur Verkarstungsproblem // Erdkunde.. -1964. -Т. 18. -С. 83-92
Ford D.C. , Williams P.W.  Karst Geomorphology and Hydrology . - London : John Wiley & Sons. -2007. -127с.
Klimchouk A.  Morphogenesis of Hypogenic Caves // Geomorphology.. -2009. -Т. 106. -С. 100-117 pdf
Klimchouk A.B.  Hypogene Speleogenesis: Hydrogeological and Morphogenetic Perspective // National Cave and Karst Research Institute Special Paper . - Carlsbad, NM: National Cave and Karst Research Institute. -2007. - №1. -106с. pdf
Klimchouk A.B.  Speleogenesis, Hypogenic // Encyclopedia of Caves. - Chennai. -2012. -С. 127-127 pdf
Klimchouk A.B.  Hypogene Speleogenesis // Treatise on Geomorphology. - San Diego, CA: Academic Press. -2013. -Т. 6. -С. 127-127 pdf
Klimchouk A.B., Tymokhina E.I., Amelichev G.N.  Speleogenetic effects of interaction between deeply derived fracture-conduit flow and intrastratal matrix flow in hypogene karst settings // International Journal of Speleology.. -2012. -Т. 41. - №2. -С. 37-55 pdf
Palmer A.N.  Cave geology. - Dayton: 2000. -0000. -127с.
Palmer A.N.  Origin and morphology of limestone caves // Geological Society of American Bulletin.. -1991. -Т. 103. - №1. -С. 1-21 pdf
Palmer A.N.  Variartion in rates of karst processes // Time in Karst. - Postojna. -2007. -С. 15-24 pdf
Plummer L.N.  Mixing of sea water with calcium carbonate ground water // Geological Society of American Memoir.. -1975. -Т. 127. -С. 127-127
Runnells D.D.  Diagenesis, chemical sediments, and the mixing of natural waters // Journal of Sedimentary Petrology.. -1969. -Т. 39. -С. 127-127
Ежов Ю.А., Лысенин Г.П.  Вертикальная зональность развития карста // Изв. АН СССР. Серия Геология.. -1990. - №4. -С. 108-116
Ежов Ю.А., Лысенин Г.П., Андрейчук В.Н., Дублянский Ю.В.  Карст в земной коре: распространение и основные типы . - Новосибрск: РАН, Сиб. отд-ние; Объед. ин-т геологии, геофизики и минералогии. -1992. -76с. pdf
Климчук А.Б.  Гипогенный спелеогенез, его гидрогеологическое значение и роль в эволюции карста. - Симферополь: ДИАЙПИ. -2013. -182с. pdf
Климчук А.Б.  Организация структуры водообмена как системообразующее свойство карста // Геологический журнал.. -2011. - №1. -С. 85-110 pdf
Климчук А.Б., Андрейчук В.Н.  О сущности карста // Спелеология и карстология.. -2010. - №5. -С. 22-47 pdf
Климчук А.Б., Пронин К.К., Тимохина Е.И.  Спелеогенез в понтических известняках Одессы // Спелеология и карстология.. -2010. - №5. -С. 76-93 pdf
Лаптев Ф.Ф.  Агрессивное действие вод на карбонатные породы, гипсы и бетоны. - М.-Л.: ГОНТИ. -1939. -120с.

Контакты

  • 95007 Украина,
    г. Симферополь,
    пр. Вернадского, 4
    УИСК
  • Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

О сайте

Сайт предлагает читателям принципиально новую трактовку природы карста Предгорного Крыма и его роли в развитии рельефа региона. Авторский коллектив сайта: Климчук А.Б., Тимохина Е.И., Амеличев Г.Н.©
Дизайн и тех. поддержка: Амеличев Е.Г.

Инфо

Сайт создан при поддержке гранта Автономной республики Крым молодым учёным Крыма (Тимохиной Е.И., 2013).

Scroll to top