Методика карстових досліджень - Геологія
1.4 Методика карстових досліджень
Карстовий процес не є безперервним. Вікові, сезонні, навіть добові зміни режиму температур, опадів та вологості повітря впливають на його інтенсивність. Підняття та опускання викликають зміни періодів активізації та згасання закарстування. При русі вод від області харчування до базису карстування відбувається осадження солей, що переносяться. Про це свідчать вторинна мінералізація порожнин у гірських породах, кольматаж та заповнення макро- та мікротріщин, натічні утворення великої потужності у підземних порожнинах. Крім нерівномірності карстового процесу у часі дуже чітко проявляється його нерівномірність у межах геологічного простору, обумовлена неоднорідністю речовинного складу, структур та текстур гірських порід, а також тектонічною тріщинуватістю.
Основними завданнями карстолого-спелеологічних досліджень є облік, прогноз та розробка заходів, що запобігають шкідливому впливу карсту на господарську діяльність людини. Вивчення літології та тріщинної проникності карстуються порід, як основних умов розвитку карсту, має сприяти вирішенню цих завдань.
Виділення типів і різновидів порід, різною мірою схильних до закарстування, проводиться в першу чергу за їх речовим складом. Особливе значення мають кількісні співвідношення та структурні зв'язки розчинних породоутворюючих мінералів. Їх визначають усіма сучасними методами, починаючи з мікроскопічних та закінчуючи хіміко-аналітичними, рентгеноструктурними, термічними, фарбуваннями, люмінесцентними та інфрачервоною спектроскопією. Особливу роль відіграє з'ясування характеру вторинних процесів, що змінюють проникність порід: доломітизації,перекристалізації, сульфатизації.
Важливим моментом є аналіз нерозчинних домішок. При цьому необхідно не тільки з'ясувати мінералогію нерозчинного залишку, в залежності від якої зменшується або збільшується водопропускна здатність породи, але й встановити його гранулометричний склад, який визначає співвідношення корозії та ерозії в карстовому процесі. Структурні та текстурні характеристики породи, що залежать від її речовинного складу, умов відкладення та перетворення осаду, досліджуються при літолого-фаціальному аналізі, що проводиться як у польових умовах, так і камерально. Під мікроскопом вивчаються великі шліфи, де можна спостерігати перехід одних ділянок мікроструктур на інші, з'ясувати характер вторинних процесів. У таких шліфах необхідно визначати порову та мікротріщинну проникність. Для виділених різновидів порід слід визначати вступно-фізичні та інженерно-геологічні характеристики. Після статистичної обробки характеристик порід, отриманих у польових та лабораторних умовах, можна виділити ряд факторів, що впливають на швидкість карстоутворення, морфологію карстопроявів та інтенсивність карстового процесу.
Результати аналітичних робіт дозволяють побудувати низку карт та схем. Ці карти можуть бути основою для карстологічного районування та прогнозування ходу сучасних геодинамічних процесів.
Вивчення тріщинуватості гірських порід проводиться поетапно. Кожен наступний етап може бути результативним лише за умови виконання попереднього етапу та отримання відповідних вторинних матеріалів.
У першому етапі під час проведення польових досліджень збирають фактичний матеріал. Традиційні методи вивчення тріщин дозволяють виявити та задокументувати елементи їх орієнтування впросторі, характер поверхонь, розміри елементів тріщин (протяжність, зяяння), склад та ступінь заповнення, дані по водовіддачі. Безпосереднім виміром можуть бути отримані характеристики густини тріщин, однак у більшості випадків для цього необхідні перерахунки на кут зрізу фронтом оголення. Обов'язковою є фіксація приуроченості тріщин до елементів тектонічної структури та літологічних комплексів порід, а також розташування тріщин у межах оголення та розмірів досліджуваних майданчиків.
В даний час все більшого значення набувають фотометоди: фототеодолітна зйомка та аерофотозйомка, що дозволяють не тільки скоротити час проведення польових досліджень, але й підвищити точність вимірювання великих тріщин, що дешифруються на знімках, а також оконтурювати і прив'язувати з високою точністю до карт ділянки з різнотіпною. Ці методи дають можливість вивчити великі і рідкісні тріщини, що виявляються по зміні здатності грунтів, малим формам рельєфу, характеру розподілу рослинність. Найчастіше карстові форми рельєфу приурочені до таких тріщин (чи їх перетинам), а порожнини і печери орієнтуються вздовж них. Первинним матеріалом у цьому випадку є фотознімок та елементи його прив'язки до місцевості та апаратури. Щоб перейти до статистичної обробки даних про тріщинуватість необхідний камеральний етап дешифрування знімка та схема зафіксованої на ньому інформації із застосуванням стереокомпараторів.
Останнім часом широкого поширення набули методи морфоструктурного аналізу територій за великомасштабними топографічними картами. Їх можна розглядати як споріднені з фотометодами, однак, оскільки при цьому використовуються вторинні матеріали (карти, побудовані із застосуванням стереофотограмметрії),відбивають головним чином елементи рельєфу, гідрографічної та ерозійної мережі, то в цьому випадку можуть бути виділені ще більші лінеаменти. Для вивчення проникності гірських порід доцільно застосовувати петрографічні методи вивчення тріщинуватості в шліфах і пришліфовках, коли об'єктом дослідження є малі та мікротріщини.
Другий етап вивчення тріщинуватості полягає в статистичній обробці первинного матеріалу, що дозволяє перейти до характеристики тріщинуватості як сукупності тісно пов'язаних між собою генетично і приурочених до певних геологічним тілам тріщинних систем. Застосовувані способи визначають детальність і достовірність висновків при подальшому аналізі тріщинуватості. Важливого значення набуває облік точності вихідних даних. Моделювання поверхонь тріщин призводить до зниження точності їх орієнтування, що змушує при складанні розподілів тріщин ранжувати виміри класів збільшеної ширини.
Статистична обробка первинного матеріалу дозволяє згрупувати матеріал відповідно до геологічного завдання, отримати описові характеристики тріщинуватості, виконати графічні побудови, розрахувати статистику розподілів і виявити основні системи тріщин, обчислити значення густоти тріщин різних напрямків і сумарної густоти, оцінити обумовлену тріщинуватістю анізо. На жаль, вивчення тріщинуватості часто носить описовий характер, рідше – порівняльний характер і завершується складанням роз-діаграм азимутального типу. Залишаються невикористаними можливості виявлення зв'язків тріщинуватості з тектонічною структурою району, з речовим складом та інженерно-геологічними характеристиками порід, з обовдненістю розрізу. На третьому етапіаналізується тріщинуватість. У цьому застосовуються результати статистичної обробки, аналізовані і натомість тектонічної структури, літологічних, інженерно-геологічних чи гидрогеологических показників розрізу досліджуваного ділянки. На даному етапі вибирається робоча гіпотеза, обчислюються статистики зв'язків, і перевіряється корелюваність статистик розподілів тріщин з характеристиками досліджуваних явищ, оцінюється згода розподілу з робочою гіпотезою, аналізуються не враховані робочою гіпотезою впливу, встановлюються закономірні, зазвичай стохастичні, рідше . В результаті можна отримати математичну модель явища або одновимірний (профіль), двовимірний (розріз, план) або тривимірний (карта) графічний матеріал, що характеризує цю модель.
На завершальному етапі складається прогноз досліджуваного явища. Прогноз може використовуватися для побудови карток на ділянки, недостатньо охарактеризовані первинним матеріалом, але що дозволяє оцінити ймовірність застосування отриманої моделі. Більш складним є прогноз динаміки процесу, оскільки отримана модель який завжди допускає можливість безпосередньої екстраполяції у часі.
Вивчення параметрів і характеристик тріщинуватості, тріщинної проникності, тріщинної анізотропії розрізу, а також виявлення зв'язків і впливу тріщинуватості на гідрогеологічні та інженерно-геологічні характеристики товщ, що карстуються, є необхідною, але не достатньою умовою для складання прогнозу ходу карстового процесу і вироблення запобігання шкідливим його впливам на народне господарство та навколишнє середовище. У зв'язку з цим велике значення набуває спеціальне літологічневивчення швидкості карстування різних генетичних і структурних різновидів порід, що карстуються, впливу нерозчинних домішок на карстовий процес, а також виявлення при вивченні вторинної мінералізації порід і заповнювачів тріщинно-порожнинних систем ознак активізації або згасання карста. У разі також доцільно застосування апарату статистичної обробки одержуваних первинних матеріалів.
Впровадження у геологічну практику комп'ютерної техніки дозволяє різко скоротити трудомісткість обчислювальних операцій та підвищити ефективність карстолого-спелеологічних досліджень.[5]
Глава 2. Фактори карстоутворення
Серед факторів, що визначають процес карстоутворення, Н.А. Гвоздецький виділяє такі: хімічний склад гірських порід, їх структуру, тріщинуватість, покривні утворення і рельєф, силу тяжіння, підземні води, тектонічні структури, потужність порід, що карстуються.