Трещинные и карстовые воды

Трещинные воды. Трещинными водами называются подземные воды, циркулирующие в трещинах крепких изверженных или оса­дочных горных пород — известняков, песчаников, кварцитов, грани­тов и др. В отличие от движения подземных вод в пористых поро­дах, совершающегося по всему поперечному сечению водоносного горизонта, воды в трещиноватых породах движутся только по от­крытым трещинам, между которыми крепкие породы вследствие их ничтожной пористости (1—2%—гранит, 10—15%—известняки) практически водонепроницаемы. Трещиноватые породы сильно по­глощают воды поверхностного стока, переводя -его в подземный. В связи с этим в районах развития трещиноватых пород происходит усиленное накопление подземных вод.

Подземные воды в трещиноватых породах могут быть как на­порными, так и безнапорными, причем на различных участках одного и того же водоносного массива трещиноватых пород напор­ные воды могут сменяться безнапорными.

Глубина распространения трещиноватости и связанная с нею водоносность неодинаковы как для отдельных районов, так и для различных пород. Трещины выветривания прослеживаются на глу­бину от нескольких до 100—200 м, тектонические трещины — на глубину многих сотен и тысяч метров.

На самых различных глубинах можно наблюдать также трещи­ны отдельности и напластования. Все вместе трещины создают в породах сложную систему различно ориентированных и пересекаю­щихся друг с другом путей, по которым движутся подземные воды.

Условия движения подземных вод в трещиноватых породах и их водообильность зависят не только от общего количества и харак­тера распределения трещин, но и от их размеров, которые могут изменяться от едва заметных на глаз, так называемых волосных, до раскрытых зияющих, шириной в несколько десятков сантимет­ров. В тектонических областях наряду с обычной трещиноватостью имеются крупные зоны нарушений, связанные со сбросами, сдви­гами и разломами. Эти зоны также часто водоносны.

При изучении подземных вод в трещиноватых породах необхо­димо прежде всего тщательно выяснить характер трещиноватости и пути, по которым движутся подземные воды. Особенно важно ус­тановить тип (происхождение) трещиноватости, глубину и ориен­тировку трещин, их густоту по площади или сечению массива гор­ных пород, размеры и характер заполнения трещин.

Трещиноватость изучают в процессе геологической съемки: в естественных и искусственных обнажениях, по керну буровых сква­жин, в горных выработках (шурфах, шахтах, штольнях) и с по­мощью специальных опытов (нагнетание воды в породы или откач­ка ее из них). При геологической съемке зарисовывают трещинова-

151

тость в обнажениях горных пород, подсчитывают общее количество трещин на единицу площади и компасом замеряют «элементы за­легания» трещин, т. е. определяют азимуты их простирания и углы падения. На основании этих измерений можно построить так назы­ваемую розу и диаграмму трещиноватости, по которым легко уста­новить преобладающее направление трещин, их размеры и т. д.

При изучении трещиноватости важно тщательно документиро­вать разрезы буровых скважин и разведочных выработок, фотогра­фировать трещины по керну скважин или стенкам горных вырабо­ток. В первом случае фиксируется выход керна в процентах (отно­шение длины вынутого образца горной породы к величине продвижения забоя скважины за один спуск бурового снаряда). В буровых скважинах, расположенных на высоких отметках релье­фа и встретивших тектонические трещины, очень часто наблюдает­ся большая потеря промывочной жидкости; в отдельных случаях поглощение промывочной жидкости может достигать 100%.

В тех случаях, когда трещины в горных породах распределяют­ся более или менее равномерно и по своим размерам не очень велики, подземные воды движутся в них, подчиняясь тем же зако­нам, что и в рыхлых зернистых породах. Различают два типа под­земных вод: трещинные и трещинно-пластовые. Первые циркулиру­ют в крупных по размерам и однородных по литологическому составу массивах трещиноватых пород. Трещино-пластовые воды приурочены к пластам трещиноватых пород ограниченной мощ­ности, перекрытых снизу и сверху пластами иного литологическо-го состава, обычно с малой водопроницаемостью.

При наличии крупных тектонических разломов и участков с ин­тенсивной тектонической трещиноватостью подземные воды могут приобретать характер потоков, текущих как бы в трубах или от­крытых каналах с повышенными скоростями по законам, отличным от законов ламинарного движения воды в рыхлых зернистых поро­дах. Характер движения подземных вод в трещиноватых породах может меняться на различных участках в зависимости от степени открытости и выдержанности трещин в вертикальном и горизон­тальном направлениях. В связи с этим скважины, пробуренные в трещиноватых породах даже в пределах одного и того же района, могут встретить воду на самых различных отметках и иметь раз­личную производительность (Украинский кристаллический массив).

Карстовые воды. Карстом называется геологический процесс растворения и разрушения горных пород под воздействием поверх­ностных и подземных вод с выносом растворенных и взвешенных веществ из массива. Карст — слово южнославянское, происходит от названия нагорья Карст на Балканском полуострове. Он разви­вается в известняках, доломитах (карбонатный карст), гипсе (гип­совый карст), каменной соли (соляной карст). В некоторых райо­нах (Мингечаур, Азербайджанская ССР) карстовые явления наблю­даются в глинистых породах.

Различают открытый и закрытый карст. Первый развивается в породах, непосредственно выходящих на поверхность Земли, вто-

152

рои там, где закарстованные породы перекрыты с поверхности тоя-щей некарстующихся пород.

На участках открытого карста образуются характерные формы рельефа: бороздообразные углубления, воронки, провалы. При соединении нескольких воронок образуются так называемые увалы. В некоторых местах возникают глубокие карстовые формы — есте­ственные колодцы или шахты, провалы, пещеры. Размеры карсто­вых провалов самые разнообразные. Так, диаметры воронок колеб­лются от нескольких до 30 и даже 150 м (например, на горе Чатыр-даг, в Крыму); глубина их может достигать 50 м. Иногда на 1 км² поверхности приходится 20—30 карстовых воронок и более.

Карстовые пещеры Г. А. Максимович по размерам делит на гро­мадные (до 100 км), очень большие (25—100 км), большие (1—25 км), значительные (0,25—1 км), небольшие (0,01—0,25 км) и малые (менее 0,01 км).

Самая большая карстовая пещера •— Мамонтова — находится в США (штат Кентукки), общее протяжение ее гротов, ходов, сле­пых шахт и подземных рек доходит до 160 км. Вторая по величине пещера находится в штате Индиана и носит название селитренной (в ней добывалась селитра для изготовления пороха). Длина само­го большого грота этой пещеры 107 м, высота 75 м. Третья —швей­царская пещера Хельлох. В настоящее время она закарстована на протяжении нескольких десятков километров. Большой протяжен­ности пещера известна в известковистых Альпах Австрии. Карсто­вые пустоты имеются в Испании, Греции, Франции, Ливане, Италии, Алжире, Тунисе и других странах мира. В СССР — самая крупная Кунгурская пещера. Она состоит из 58 гротов. Общая протяжен­ность пещеры 4,6 км. По данным Г. А. Максимовича, в пещере 360 озер, заполненных минерализованными водами. Кунгурская пе­щера пользуется большой известностью среди туристов.

В некоторых районах крупные карстовые полости (0,5—10 м в поперечнике) прослеживаются на глубине 150 м ниже местного базиса эрозии и на 30—500 м ниже поверхности Земли. Иногда на глубине 130 м встречаются карстовые пещеры высотой 20—25 м; объем их достигает нескольких десятков тысяч кубических метров. Более мелкие карстовые полости размером менее 0,5 м в попереч­нике, приуроченные главным образом к доломитизированным из­вестнякам, встречаются на глубинах 750—800 м. Карстовые полости нередко бывают заполнены песчано-глинистыми породами.

Развитию карста способствует трещиноватость пород. Все ис­следователи карста отмечают, что тектонически нарушенные из­вестняки и доломиты, а также загипсованные и соленосные породы особенно легко подвергаются карстообразованию. Исследованиями А. А. Колодяжной установлено, что карст наиболее интенсивно раз­вивается на контакте карстующихся пород с некарстующимися.

Внутри массивов пород, подверженных карсту, создается, таким образом, сложная сеть пустот, каналов, пещер. Подземные воды, циркулирующие по этим пустотам, называются карстовыми во­дами.

153

Воды в закарстованных породах циркулируют как в горизон­тальном, так и вертикальном направлениях. Доказано, что в боль­шинстве случаев равнинных территорий в них существует сплош­ной поток подземных вод, а не отдельные изолированные водотоки, как это предполагали некоторые исследователи. В горных районах (Карпаты, Крым, Кавказ, Альпы и др.) карстовые потоки на боль­ших глубинах не имеют между собой связи.

Карстовые подземные воды отличаются от других типов подзем­ных вод своеобразными условиями связи с поверхностными вода­ми. Во многих случаях воды открытых водотоков на участ­ках, сложенных закарстованными породами, поглощаются карсто­выми воронками и трещинами. Выходя затем ниже по уклону в

Рис. 69. Схема поглощения русловых вод в долине реки (по А. А. Коло-

дяжной):

1 — пески с галькой, 2 — пески, 3 — известняки, 4 — поверхность грунтовых вод

виде крупных источников на берегах рек, эти воды вновь переходят в поверхностные водотоки. Такие явления часто наблюдаются в Башкирии, Пермской и Орловской областях, на Северном Урале, в Крыму и на Кавказе, в предгорьях Копетдага, Енисейском кряже, Каратау, Забайкалье, Якутии, Грузии, Армении, Камчатке, Сред­ней Азии и т. д. (рис. 69).

Нередко путями поглощения речных вод служат воронки и кар­стовые полости, выходящие непосредственно на поверхность по бе­регам и в русле реки. Потеря поверхностных вод в результате по­глощения их карстовыми воронками и пустотами может достигать большой величины. Так, например, река Кизел (на Урале), пересе­кая закарстованные известняки, теряет 0,5—1,0 м³/с воды, а река Косьва — до 3,4 м³/с. Долины рек, у которых поверхностный сток полностью поглощается карстовыми породами и переходит в под­земный, представлены иногда на протяжении нескольких километ­ров суходолами.

В районах развития карста некоторые участки рек представля­ют собой сплошную цепь более или менее значительных,по разме-

154

рам карстовых воронок, местами сливающихся в сплошные закар-стованные поля; в периоды снеготаяния и половодья такие участки поглощают огромные количества поверхностных вод. Линейное рас­положение карстовых воронок обычно указывает на направление карстовых подземных потоков. Иногда цепи карстовых воронок, так же как и долины рек, бывают приурочены к линиям тектониче­ских разломов.

Поверхность подземных вод в карстовых районах весьма измен­чива. На участках, где сосредоточены крупные карстовые полости, происходит усиленный дренаж водоносных пород и отток подзем­ных вод; в результате уровень вод сниж-ается, а направление пото­ка на коротких расстояниях может резко изменяться.

Карстовые воды характеризуются резкими колебаниями уровня и расхода. Высокая водопроницаемость закарствованных пород и наличие на поверхности Земли описанных выше карстовых форм рельефа обеспечивают быстрое поглощение атмосферных осадков. Вследствие этого в карстовых районах многочисленные источники резко увеличивают свой расход в период паводка и больших дож­дей. Источники, питающиеся за счет карстовых вод и вод глубоких напорных горизонтов или пополняющие свои запасы за счет поверх­ностных водотоков, действуют в течение всего года. Но и в них на­блюдаются резкие колебания расхода воды в зависимости от ин­тенсивности выпадения атмосферных осадков. Дебиты карстовых источников колеблются от нескольких литров до нескольких куби­ческих метров в секунду. В отдельных странах карстовые источни­ки используются для энергетических целей. Например, знаменитый карстовый источник Воклюз на юге Франции приводит в движение машины многих предприятий. В районе Алжира имеются неболь­шие электростанции, использующие напор подземных вод карсто­вых источников.

Мощные карстовые источники приурочены к верхнемеловым и юрским известковистым породам, слагающим горные цепи Ливана. В этой стране территория, занятая сильно трещиноватыми закар-стованными породами, занимает свыше 600 км², при мощности кар-стующихся пород более 600—300 м и глубине залегания подземных вод в пределах 200 м от поверхности Земли. Источники переливаю­щиеся выходят как из верхнемеловых, так и юрских отложений. Постоянный среднегодовой расход источника из сеноманских отло­жений (Айн-Зарка) около 31,5 м³/с; он дает начало реки Оронт. Второй крупный источник Нахр-Сене, выходящий из карстовых из­вестняков юрского возраста, имеет постоянный расход около 14 м³/с. Наиболее крупные источники в этой стране приурочены к эоценовым известнякам. Источник Рас-Эль-Айн в истоках р. Ха-бур — один из наиболее мощных в мире (35—40 м³/ч). По дебиту он не уступает итальянскому карстовому источнику Стелла (Фриу­ли), расход воды из которого более 36 м³/с.

Карстовые породы и связанные с ними подземные воды широко растространены. Только в СССР около 40% всей территории занято закарствованными карбонатными породами. Большие площади за-

155

I

няты также гипсоносными и соленосными отложениями. В качестве примера района развития карстовых подземных вод можно назвать Подмосковную впадину, где наиболее интенсивному карстованию подверглись известняки и частично гипсы верхнего девона, а также известняки каменноугольного возраста. С ними связаны мошные и водообильные водоносные горизонты, относящиеся к типу трещин-но-карстовых и используемые для водоснабжения. Карбонатный карст широко развит на Тянь-Шане, Каратау, Центральном Казах­стане, на Северном Урале, Кавказе.

В горном Крыму карстовые подземные воды приурочены к верх­неюрским известнякам. По склонам главной гряды из них выходят многочисленные источники. Там, где известняки погружаются ниже уровня моря, карстовые источники выходят в море. Такие источни­ки называются подводными (на Черном море у Гагры, Алупки, за­паднее Байдарских ворот в Крыму, на Средиземном море).

Карстовые воды распространены также в пермских гипсоносныч и карбонатных толщах Среднего Поволжья (Самарская Лука), в меловых породах Украины и Белоруссии, в каменноугольных из­вестняках Урала.

Подземные воды, приуроченные к карсту, широко распростра­нены и используются за пределами СССР: в Италии, Австрии, Юго­славии, Северной Африке, Греции, Сирии, Ливане, США и др.

В связи с широким территориальным распространением карсто­вые воды имеют большое народнохозяйственное значение. Их часто используют для водоснабжения населенных пунктов, промышлен­ных предприятий и орошения. Нередко карстовые воды затрудняют разработку месторождений полезных ископаемых, обводняя их, осложняют строительство плотин и водохранилищ в речных доли­нах, поскольку возникает опасность крупных утечек воды в карсто­вые пустоты. В последние годы интерес к изучению карста в раз­личных странах значительно усилился в связи с использованием подземных полостей для размещения электростанций и других объ­ектов.

При изучении карстовых вод необходимо учитывать историю развития карста данного района, размеры и характер распределе­ния карстовых пустот в массиве пород, режим подземных вод во времени, а также области концентрации карстовых вод в массиве. Большое значение при изучении карстовых вод приобретают наблю­дения за характером и выходом керна при бурении скважин, за поглощением промывочной жидкости и поведением буровой корон­ки на забое. Гидрогеологические исследования, связанные с кар­стовыми водами, должны сопровождаться тщательными наблюде­ниями за режимом вод рек и озер для выявления их связи с кар­стом.