3.2 Процесс растворения карбонатных пород

Наиболее существенное отличие карбонатного карста от других литологических типов заключается в особом ходе процесса растворения карбонатных пород. Карбонатные породы практически растворимы лишь в воде, содержащей свободную углекислоту или же другие минеральные и органические кислоты. Помимо этого растворимость карбонатных пород может повышаться, если в воде содержатся некоторые соли, например NaCl.

Процесс растворения известняка в воде, содержащей свободную углекислоту, происходит довольно сложно. Он представляет собой совокупность различных химических превращений, тесно связанных между собой. Наиболее существенные из них следующие [3]:

СаСО_{3(тверд.)} - СаСО_{з(растворен.)}

СаСО_{з(растворен.)} - Са²⁺ + СО₃

СО_2(возд.) - СО_2(водн.)

СО_2(водн.) + Н₂О - Н₂СО₃

Н₂СО₃ - Н⁺ + НСО₃^-

Н⁺ + СО₃ - НСО₃^-

В этом взаимодействии равновесий швейцарский карстовед А. Бёгли выделил четыре фазы, последовательно вступающие в действие. В первой фазе известняк расширяется в воде непосредственно, без всякого участия содержащейся в воде углекислоты. Во второй фазе Н⁺ - ион угольной кислоты ассоциирует с СОз-ионом первой фазы. В третьей фазе в угольную кислоту и ее ионы превращается физически растворенный в воде С0₂. Это начало цепной реакции, конечным итогом которой будет дальнейшее растворение известняка. Общее количество известняка, растворенного во вторую и третью фазы, определяется первоначальным содержанием С0₂ в воде. Скорость реакции и обмена вещества в третьей фазе высокая. Она увеличивается с повышением температуры. При повышении температуры на 10 °С скорость реакции примерно удваивается. Четвертая фаза практически начинается после завершения трех предшествующих и до конца контролирует ход дальнейшего растворения известняка. СО₂ воздуха, которая в начале четвертой фазы находится в максимуме неравновесия с СО₂ в воде, постепенно в нее диффундирует. Многочисленные условия равновесия, определяют ход процессов в четвертой фазе. Известняк может растворяться лишь до тех пор, пока не наступит равновесие между С0₂ в воздухе и в насыщенном растворе бикарбоната кальция. Скорость растворения известняка лимитируется скоростью диффузии, которая очень мала. Поэтому требуется много времени, чтобы была достигнута предельная концентрация С0₂. При повышении температуры наблюдается значительное ускорение диффузии и равновесие достигается раньше.

Высокая скорость процессов в трех первых фазах определяет их быстрое действие на известняк. Поэтому даже на очень крутых откосах из оголенного известняка под действием быстро стекающей воды успевают образовываться разделенные острыми ребрами параллельные желобки - желобковые карры. Под действием четвертой фазы возникают бороздчатые карры и трещинные карры. При дождевых осадках действие трех первых фаз удлиняется, поскольку все время примешиваются агрессивные воды [3].

3.3 Агрессивность горных вод

Агрессивность природных вод по отношению к карбонатным породам может быть связана не только с CO₂ и H₂CO₃, но и со многими другими минеральными и органическими кислотами. Факторы, создающие условия для образования кислых агрессивных вод, являются в значительной мере ландшафтными. К числу этих факторов относятся: атмосферные осадки, химический состав которых соответствует сильнокислым, кислым и щелочным растворам; кислые почвы увеличивают pH инфильтрационных вод за счет катионного обмена и углекислого газа почвенного воздуха; щелочные почвы, обогащенные органическим веществом, которое служит активным адсорбентом, извлекающим из инфильтрационных вод ионы кальция и магния; лесные массивы, увеличивающие кислотность атмосферных осадков при прохождении их сквозь кроны деревьев; подземные и поверхностные воды, вытекающие из районов распространения кристаллических и эффузивных пород, обогащающие различными химическими компонентами подземные воды осадочного комплекса; микробиологическая деятельность, продуцирующая многочисленные органические кислоты, которые поступают в поверхностные и подземные воды; воды низинных и верховых болот, содержащие органические кислоты; минеральные источники и углекислые термы, поставляющие в карстующиеся толщи углекислый газ из глубины; гипергенез рудных и других месторождений полезных ископаемых, обогащенных сульфидами, зона которого представляет собой источник интетенсивного накопления агрессивных растворов, обусловливающих возникновение так называемого рудного карста; перенос солей, влияющих на кинетику растворения известняка (NaCl, MgCl₂, Na₂SO₄), со стороны моря; жидкие, твердые и газообразные продукты, связанные с деятельностью промышленных предприятий и так же участвующих в формировании агрессивных вод [3].