Тема 12. Геологiчна дiяльнiсть пiдземних вод

Пiдземнi води, рухаючись в порах i пустотах гiрничих порiд, за певних умов можуть розмивати i розчинювати породи. Iнодi процеси роз­мивання i розчинення вiдбуваються одночасно. Розмивання виявляється в тому, що рухома вода захоплює дрiбнi частки породи i виносить їх з собою. В скельових породах вода розмиває стiнки трiщин i пустот. Однак в основному розмиваюча дiя пiдземних вод проявляється на не­скельових породах. Внаслiдок виносу водою найдрiбнiших фракцiй, по­ристiсть породи збiльшується, як збiльшуються i розмiри самих пор. Зрозумiло, що чим бiльшi розмiри пор, тим бiльшi розмiри фракцiй, якi можуть бути винесенi через цi пори.

Розмивання породи супроводжується її розчиненням. Розчи­нюються всi породи без винятку; однi з них надзвичайно повiльно, а iншi - порiвняно швидко. Процес розчинення порiд залежить вiд ступе­ню мiнералiзацiї води. Внаслiдок розчиняючої i розмиваючої дiї пiд­земних вод на гiрничi породи виникають явища, що називаються суфозi­єю i карстом.

С у ф о з і я. В процесі фільтрації вода виконує руйнівну роботу. Фільтраційний потік за певних умов може привести в рух дрібні частки, що входять до складу уламкових порід або заповнювачів тріщин та винесення їх з породи. При цьому частки породи виносяться, а земна поверхня над утвореними внаслiдок цього пустотами осiдає. Процес виносу часток породи, що веде до осiдання поверхнi Землi, називається суфозiєю (вiд лат." суффозiо" - пiдкопування).

Інколи на відміну від такої “механічної суфозії” виділяють ще і “хімічну” суфозію, яка проявляється в вилужуванні солей з гірничої породи.. Вилужування солей - це корозійний процес, він не має нічого спільного з власне суфозійним процесом, тому говорити про хімічну суфозію цілком неправомірно і недопустимо.

Основною причиною суфозії слід вважати виникнення в підземних водах значних сил гідродинамічного тиску та перевищення величини деякої критичної швидкості води. Це викликає відривання часток та винесення їх в завішеному стані. Завішування часток відбувається при критичному градієнті (Ікр), який можна вирахувати за залежністю

Ікр=(rs-1)(1-n)+0, 5n, (119)

де rs - щільність часток уламкової породи (піску) (про цей параметр ми взнаємо в §52), n - пористість в частках одиниці.

Гідродинамічний тиск (D), який діє по дотичній до депресійної кривої, визначають за формулою

D=rwЧnЧI (г/см3), (120)

де rw - питома маса води, котра дорівнює 1, n - пористість породи в частках одиниці, І - гідравлічний градієнт.

Суфозії найчастіше піддаються неоднорідні породи. Процес суфозії в різнозернистих пісках відбувається таким чином. Пісок складається з часток різного розміру - великих і дрібних. Крупні частки складають структурний каркас породи. Пори між крупними частками досить великі і через них під дією рухомої води вільно проходять дрібні частки (глинисті, пилуваті). В пісках, як правило, суфозія починається при критичному градієнті більшому 5.

Суфозія відбувається порівняно повільно (роки, десятки років), але вона дуже поширена в природі і проявляється в самих різних формах. Наприклад, якщо в нижній частині схилу спостерігається вихід водонасичених піщано-галькових порід і має місце проявлення суфозії, то ці породи, особливо в зоні розвантаження підземних вод, внаслідок

виносу дрібних часток збільшують пористість і щільність їх зменшується. Це часто викликає їх ущільнення під дією вищезалягаючих мас гірничих порід, в котрих при цьому виникають тріщини, зони послаблення. Якщо суфозія розвивається під спорудами, то це може викликати значні і нерівномірні осідання, деформації і руйнування.

Суфозiя часто є причиною утворення оповзiв, провалiв та " степових блюдець ". Вона може різко змінити водопроникливість порід та викликати утворення промитих шляхів поступлення підземних вод в будівельні котловани або в підземні виробки. Були випадки різкого збільшення фільтрації через тіло плотини. Суфозія часто призводить до порушення нормальної роботи дренажів та фільтрів через їх кольматацію (вмивання дрібних часток порід в пори і пустоти заповнювачів дренажів та фільтрів).

Для боротьби з суфозiєю потрiбно припинити рух води через масив, котрий розмивається, для чого породи скрiплюють твердiючими розчинами. Якщо не вдається повнiстю припинити рух пiдземних вод, то потрiбно хоча б зменшити швидкiсть її руху i величину гiдравлiчного градiєнта.

К а р с т. Хiмiчне розчинення гiрничих порiд в земнiй корi або на її поверхнi називається карстом. Термiн " карст" походить вiд одноiмен­ного карбонатного плато в Хорватiї на пiвостровi Iстрiя, де вперше було описане це явище.

Розчинюються або вилуговуються породи перш за все легкорозчиннi: камiнна сiль, гiпси, вапняки, доломiти, мергелi, крейда. А тому карст буває соляним, гiпсовим, карбонатним. На поверхнi Землi внас­лiдок розчиняючої дiї атмосферних вод утворюються канавки, борозни, щiлини глибиною вiд кiлькох сантиметрiв до метра. Всi цi утворення називаються карами, а площi розвитку карiв - каровими полями. Серед карiв зустрiчаються i глибокi щiлини, по яких поверхневi води вiдво­дяться в горизонти пiдземних вод. Такi щiлини називають понорами. Iнодi зустрiчаються карстовi лiйки (заглиблення), розмiри яких дося­гають ста метрiв в дiаметрi i 20 метрiв в глибину.

Для карстового процесу (на відміну від суфозії) головним є розчинення порід і винесення з них речовин в розчиненому стані.

Виникнення і розвиток карсту зумовлено здатністю порід до повного розчинення, наявністю протічної води і ступенем її мінералізації, геологічною будовою масиву, рельєфом місцевості, тріщинуватістю порід, характером рослинності, кліматом і т.п.

Із усіх порід найкраще розчиняються водою солі (камінна, калійна), гіпси, ангідрити та різні вапняки. Для розчинення однієї частини камінної солі(котра складається з галіту) достатньо трьох частин води, а для гіпсу потрібно уже 480 частин води. Найважче розчиняються вапняки. В залежності від вмісту в воді СО2 та від температури, для розчинення однієї частини мінералу кальциту (а саме з нього складаються вапняки) необхідно від 1000 до 30 000 частин води. Так же важко розчиняються доломіти і магнезити.

Причиною різної розчинності мінералів є різна енергія кристалічних решіток. чим більша ця енергія, тим важче розчиняється мінерал. Крім цього, розчинність породи залежить від крупності складаючих її часток. Дрібнозернисті породи за всіх інших рівних умов розчинюються скоріше.

Одним з основних факторів карстоутворення є дія води (атмосферної, річкової, підземної), якщо вона не має підвищної мінералізації. Найсильніше розчиняє породи прісна вода, а також та, котра вміщує вільну вуглекислоту - в такому випадку розчиняюча дія води збільшується в багато разів. Розчиненню також сприяють підвищення температури та збільшення швидкості руху води.

Дуже важливою умовою розвитку карсту є ступінь водопроникливості порід. Чим водопроникливіша порода, тим інтенсивніше проходить процес розчинення. Найсприят-ливіші умови в цьому відношенні створюються в тріщинуватих породах, особливо за наявності тріщин шириною не менше 1 мм, тому що це забезпечує вільну циркуляціюводи. Вода поступово розширює тріщини в канали і печери. Цей процес продовжується до водотриву або рівня підземних вод. У цього корозійного процесу, як і в ерозійного, є нижня межа розвитку, яку називають базисом корозії, котрим найчастіше є рівень найближчої річки, озера або моря, а також поверхня водотривких порід.

Особливе місце у карстоутворенні посідають гідрогеологічні умови території, тобто умови циркуляції підземних вод у тріщинуватій товщі розчинних порід. У карстових масивах розрізняють три поверхи (зони), відмінні за своїми гідрогеологічними особливостями.

Верхній поверх - зона аерації - охоплює частину розрізу від денної поверхні до першого постійного водоносного горизонту, тобто до дзеркала підгрунтових вод. Тут у звичайних умовах відбувається вільна циркуляція повітря по тріщинах і порожнинах порід, але періодично (під час танення снігів або після дощів) ці тріщини заповнюються водою, що переміщується під дією гравітаційних сил у товщу порід, тобто відбувається процес вертикальної циркуляції або інфільтрації вологи.

Проміжний поверх карстової товщі, де спостерігається переміщення рівнів підгрунтових вод (в зв'язку з періодичним надходженням води з поверхні), одержав назву зони періодичного повного насичення. Її межами по вертикалі виступають найвищий і найнижчий рівні дзеркала підгрунтових вод. Тут переважає горизонтальна циркуляція підземних вод, проте на периферії карстового масиву ця циркуляція активізується за рахунок зростання похилу поверхні підземних вод (гідравлічного градієнта). Цю зону розглядають як найбільш активну при утворенні глибинного карсту, зокрема печер.

Найглибший поверх карстового масиву займає зона постійного повного насичення, обмежена зверху найнижчим рівнем підгрунтових вод, а знизу - поверхнею водотривкого горизонту. Тут переважає горизонтальна циркуляція підземних вод, а на краях карстової області утворюються численні джерела, якими живляться ріки (карстові джерела можуть виникати і на периферії верхніх поверхів карстової товщі, проте тут вони носять тимчасовий характер). Потужні карстові джерела, пов'язані з нижнім гідрогеологічним поверхом карстової товщі, часто називають воклю-зами (за назвою такого джерела, вперше описаного у Франції).

Потужність і співвідношення описаних поверхів, а відтак і специфіка карстоутворення на різних глибинах, залежать від багатьох факторів, серед яких слід відзначити: потужність і тріщинуватість порід, що карстуються; розчленування поверхні карстової області та глибину врізу річкових долин; наявність серед карстової товщі прошарків і лінз нерозчинних глинистих порід, на яких формується верховодка (тимчасовий або сезонний водоносний горизонт у зоні аерації).

Підняття або опускання карстового масиву, внаслідок рухів земної кори, викликає зміни положення базису корозії. При цьому карстовий процес або підсилюється, або послаблюється.

В Україні процеси карстотворення досить поширені. Тут зустрічаються всі основні літологічні типи карсту - карбонатний (на крейді та на вапняках), сульфатний, соляний (мал. 57).

Мал. 57. Карст в Україні

В західноукраїнському регіоні виділяються дві карстові області - Волинська і Подільсько-Буковинська, які разом утворюють обширне поле карбонатного карсту, що простягається від кордонів з Білоруссю до Румунії.

Волинський карст пов'язаний головним чином з крейдяно-мергельними товщами і представлений переважно неглибокими і незначними за розмірами лійками поверхневого вилужування (межиріччя Турія - Стохід, околиці Турійська, Старого Чарторийська, Костополя) та досить крупними улоговинами, зайнятими сучасними озерами (серед них і найбільше озеро України - Світязь, площа якого становить 27, 5 кв.км, а глибина сягає 58, 4 м).

Подільсько-Буковинська карстова область простирається від польського кордону поблизу Львова та Кременецьких гір до державного кордону з Румунією, охоплюючи долини Дністра та його лівих приток. Тут переважає вапняковий карст, представлений улоговинами та лійками діаметром 200-800 м (особливо великі лійки відмічені на межиріччі Серета й Нічлави та у пониззі Збруча). Безпосередньо вздовж долини Дністра простягається зона розвитку гіпсоносних товщ, які немов би обрамовують західний та південний краї вапнякового плато. З цією зоною пов'язані унікальні гіпсові печери південного Поділля (Кришталева, Озерна, Вертепа, Мокра, Оптимістична та ін.).

У Карпатській зоні порядз порівняно незначними площами вапнякового карсту у Скельному районі Закарпаття (невеликі каррові поля, підземні лабіринти, понад 80 печер, серед яких Дружба, Чур, Загадка та ін.) поширений і соляний карст. Прикарпатська (Калуш, Стебник) та Закарпатська (Солотвин, Новоселиця) області соляного карсту представлені як відкритими карстовими формами (соляні піраміди, соляні столи, соляні гриби висотою до 4-6 м, карстові лійки та жолоби), так і численними проваллями та лійками над випрацьованими камерами соляних шахт (глибина до 10-12 м, діаметр до 20-30 м).

До західноукраїнського карстового регіону безпосередньо прилягає Наддністрянська область вапнякового карсту (Вінницька область), де переважають порівняно м'які форми покритого карсту.

На Лівобережжі карстові форми рельєфу пов'язані з крейдяними відкладами Середньоруської височини (Північно-Східна карстова область) та соляними товщами Дніпровсько-Донецької западини.

Північно-Східна карстова область представлена кількома окремими ділянками, найбільша з яких знаходиться на Сеймо-Деснянському межиріччі. Тут поширені каверни, понори, часом зустрічаються лійки та карстові провалля у крейді (діаметр 5-30 м, глибина до 4-9 м), але переважають відносно м'які форми покритого карсту.

Солянокупольні структури Дніпровсько-Донецької карстової області зумовлюють поширення на Лівобережжі відносно слабо виявлених у сучасному рельєфі мульдоподібних знижень, часто заповнених пухкими відкладами кайнозойського віку.

Широко відомий вапняковий карст Донбасу, де поряд з окремими карровими полями (басейн р. Волновахи), поширені досить значні лійки провального, просадкового та поверхневого (вилужування) походження. Окремі карстові лійки при діаметрі 30-40 м сягають глибини 25-30 м. Наявність молодих сучасних лійок свідчить про продовження процесів карстотворення у Донбасі.

Причорноморська карстова область, не дивлячись на поширення карбонатних порід, характеризується не стільки розвитком типового вапнякового карсту, скільки псевдокарстовими формами, зумовленими суфозійно-просадковими явищами (мікрозападини, поди, степові блюдця тощо).

Кримська карстова область складається з двох відмінних за характером карстотворення регіонів. Якщо рівнинна підобласть (Таханкутський півострів) має карстові форми, що майже повністю відповідають описаній вище Причорноморській області, то Яйлинські хребти Кримських гір є чи не єдиною в Україні областю поширення класичного (середземноморського) карсту. Тут на вапняковій поверхні утворилися найрізноманітніші форми карстового рельєфу - карри, борозни, колодязі, понори, шахти, карстові долини та пілля; нараховуються тисячі карстових лійок. Особливе геоморфологічне значення мають відомі вапнякові печери, загальна кількість яких пе-ревищує 500. Серед них - Красна печера (Кизил-Коба) довжиною понад 12, 5 км, Молодіжна (глибина 261 м), Каскадна (глибина 246 м) та ін.

Меліовативне будівництво і водопостачання в карстових районах пов’язане зі значними труднощами, тому що породи, які піддаються карсту, є ненадійними основами для споруд каналів і водопроводів. Наявність порожнин зменшує міцність і стійкість порід. Розвиток карсту може викликати недопустимі деформації і навіть повне руйнування конструкцій. Особливо небезпечний карст для гідротехнічних споруд. Через карстові пустоти можливе витікання води з водосховищ.

Для правильного проектування будов та споруд в карстових районах необхідні детальні інженерно-геологічні дослідження, котрі повинні мати комплексний характер.

Iнтенсивнiсть розчинення порiд знаходиться в тiснiй залежностi вiд агресивних властивостей води i швидкостi її руху. Застiйнi води насичуються солями i стають нездатними розчинювати гiрничi породи. Боротьба з карстом полягає в цементуваннi та бiтумiзацiї порiд, кот­рi карстуються. При цьому, якщо це можливо, стараються зменшити швидкiсть руху пiдземних вод, так як це один з активних факторiв розвитку карсту.

Практична робота № 6 „ Побудова гідрогеологічного розрізу”

Д а н о: індивідуальне завдання (додатки 5-29) та методичні вказівки (075-55) для побудови гідроологічного розрізу до складеної в ході попередньої практичної роботи літолого-геологічної карти. На карті задана лінія, по котрій необхідно побудувати розріз, в завдані - буровий журнал свердловин.

З а в д а н н я: Побудувати гідрогеологічний розріз по заданій лінії.

Практична тобота № 7 на тему: «Побудова карт гідроізогіпс та глибин залягання дзеркала ґрунтових вод»

Д а н о: Складена в ході попередньої практичної роботи літолого-геологічна карта, буровий журнал свердловин та методичні вказівки (075-55) для побудови карт гідроізогіпс та глибин залягання дзеркала ґрунтових вод.

З а в д а н н я: Побудуватикарту гідроізогіпс та глибин залягання дзеркала ґрунтових вод.

Питання для самоконтролю

1. Як відбувається рух води в зонах аерацiї i насичення?

2. Як здійснити визначення напрямку і швидкостi руху пiдземних вод?

3. За якою формулою визначається гідравлічний градієнт?

4. За якою формулою визначається швидкість руху ґрунтових вод?

5. За якою схемою проводяться розрахунки припливу грунтових вод до досконалої горизонтальної дрени (канави)?

6. За якою схемою проводяться розрахунки припливу грунтових вод до досконалої свердловини?

7. За якою схемою проводяться розрахунки водопониження при взаємодiючих свердловинах?

8. За якою схемою проводяться розрахунки припливу напiрних вод в досконалу дрену?

9. За якою схемою проводяться розрахунки припливу артезiанських вод у досконалу свердловину?

10. За якою схемою проводяться розрахунки припливу води до котлованів?

11. За якими формулами проводяться розрахунки припливу грунтових вод до досконалої горизонтальної дрени (канави)?

12. За якими формулами проводяться розрахунки припливу грунтових вод до досконалої свердловини?

13. За якими формулами проводяться розрахунки водопониження при взаємодiючих свердловинах?

14. За якими формулами проводяться розрахунки припливу напiрних вод в досконалу дрену?

15. За якими формулами проводяться розрахунки припливу артезiанських вод у досконалу свердловину?

16. За якими формулами проводяться розрахунки припливу води до котлованів?

17. Які емпіричні формули застосовують для визначення коефіцієнта фільтрації?

18. Як визначають коефіцієнть фільтрації в лабораторних умовах?

19. Як визначають коефіцієнть фільтрації польовими дослідами?

20. Якими формулами користуються для визначення коефiцiєнта фiльтрацiї за даними одиночних вiдкачок?

21. Якими формулами користуються для визначення водопониження за даними одиночних вiдкачок?

22. Яку формулу Тейс зпропонував для розрахунків при несталому русі напірних вод?.

23. Чим карст відрізняється від суфозії?.

24. Назвіть основні види карсту.

25. Знайдіть на карті України найбільші карстові райони