Гидрогеологические особенности сульфатного карста

Растворимость гипса- 2,1г/л.

Карст гипсов и ангидритов проявляется в зонах активного водообмена артезианских бассейнов на платформах и предгорных прогибах, реже- на склонах г/г массивов в складчатых областях.

Необходимо учитывать относительно высокую скорость процесса растворения за счет атм.осадков (несколько лет или десятилетий). Высота зоны циркуляции 10-15м. Вода в массив не поступает. В районах карбонатного карста воды выходят на поверхность наполовину агрессивными. Здесь пополнение п/в происходит за счет берегового регулирования стока. Это заключается в том, что в период половодья, при подъеме уровня поверхностных вод, вода из русел рек уходит вглубь берегов. Происходит втекание воды в массив, пополнение ресурсов. Карстовые карбонатные коллекторы перспективны для накопления огромных запасов пресных п/в высокого качества. Модуль подземного стока по сравнению с некарстующимися породами выше. Концентрация подземного стока бывает очень высокая.

Гипсы и ангидриты в основном слабо трещиноваты (трещины редкие, большей частью закрытые) и имеют незначительную пористость. Карст развивается крайне неравномерно — по контактам с водопроницаемыми породами и по редкой неравномерной системе трещин. В кровлю гипсово-ангидритовых толщ карст обычно проникает на глубину от нескольких до 10-15 м. На поверхности кровли растворимых пород возможно образование сплошных карстовых полостей пластового характера.

Формирование карстовых вод в гипсах и ангидритах определяется следующими факторами:

1) сравнительно небольшая мощность карстующихся гипсов и ангидритов,

2) частое залегание пластов, пачек, линз гипса среди карбонатных, терригенных пород или в кровле солей, наличие внутри сульфатных толщ пачек карбонатных пород,

3) неравномерная, обычно резкая трещиноватость, которая с глубиной быстро затухает (искл.- глубинные разломы),

4) наличие покровных некарстующихся отложений (водоупорных или обводненных) или карбонатных пород,

5) сравнительно высокая растворимость гипсов и ангидритов в природных водах. Повышенная скорость насыщения воды гипсом. Усиление приповерхностной закарстованности- активизация поглощения поверхностного стока; провальные явления: гипс внутри терригенных пород; особенности берегового регулирования водообмена; отсутствие натечных форм в подземных полостях.

Нетрещиноватые гипсы и ангидриты практически безводны. Их водопроницаемость зависит от трещиноватости и закарстованности.

Гипсово-ангидритовые толщи в зависимости от характера трещиноватости и закарстованности содержит трещинно-карстовые воды, образующие водоносные системы в сообщающихся между собой трещинах, щелях, мелких полостях, или жильные карстовые воды в крупных каналах, полостях, пещерах, в зонах тектонических нарушений. Даже при наличии единого водоносного горизонта наблюдается концентрация подземного стока на участках интенсивного питания (под карстовыми логами, в местах подтока вод из контактирующих пород, в зонах поглощения речных вод, в склонах переуглубленных долин).

Наибольшая водообильность- в трещиноватых зонах, где трещинно-карстовые воды гидравлически связаны с вышележащими водоносными горизонтами, в придолинных участках, в местах разгрузки напорных глубинных вод.

Разгрузка карстовых вод может быть скрытой (в грунтовые воды, озера, реки) и наземной - в виде источников.

Для гипсово-ангидритовых толщ характерны следующие гидродинамические зоны:

1-зона аэрации или вертикального нисходящего движения инфильтрационных или инфлюационных вод, включающая при наличии менее карстующихся пород подзону подвешенных горизонтов карстовых вод;

2-зона сезонных колебаний уровня карстовых вод (переходная зона);

3-зона трещинно-жильных или жильных карстовых вод, движущихся в сторону дрен или зона преимущественно горизонтальной циркуляции, поперечной по отношению к дрене;

4-зона напорных трещинно-карстовых вод (глубинной циркуляции) с очагами восходящей разгрузки, движение которых контролируется условиями залегания пород, трещиноватостью, наличием зон линейных тект.нарушений;

Зона сифонной циркуляции- восходящее движение слабонапорных трещинно-карстовых или жильных карстовых вод к очагам разгрузки;

5-зона поддолинного, продольного по отношению к дрене, стока карстовых вод, дренирующая ненапорные и напорные воды третьей и четвертой зон. Это зона концентрированного стока карстовых вод по полостям, трещинам и каналам, расположенным под руслом, поймой или низкими аккумулятивными террасами. Зона поддолинного стока может поглощать речные воды. Разгрузка этой зоны происходит в виде русловых и наземных источников.

Сульфатные породы в компактной массе совершенно непроницаемы и карстуются только с поверхности. Они могут служить водоупорами, на которых залегают водовмещающие породы. В связи с этим закарстованность горных массивов, сложенных сульфатными породами, определяется степенью их трещиноватости, обеспечивающей возможность циркуляции воды. При этом необходимо учесть, что при вертикальном перемещении воды глубина залегания зоны ее полного насыщения сульфатом кальция обычно не превышает 10м.

Образование полостей в сульфатных массивах на больших глубинах обусловлено следующими обстоятельствами:

1. при увеличении давления (всестороннего сжатия) на 0,1Па растворимость гипса увеличивается в 4 раза;

2. агрессивность п/в по отношению к сульфатным породам возрастает при смешивании потоков с различной температурой;

3. при предельной концентрации в воде сульфата кальция в присутствии твердой фазы, в воде появляются мельчайшие пластинчатые и игольчатые кристаллы гипса, которые переносятся во взвешенном состоянии (вынос гипса из массива во взвешенном в воде состоянии).

Закарстованность поверхности гипсо-ангидритовых массивов определяется местными структурно-тектоническими условиями: на брахиантиклиналях мах. закарстованность - на приосевых участках, а также на периферийных приразломных участках. Все центральные части блоков бывают слабозакарстованными. Закарстованность возрастает с ростом высоты поднятия и увеличением угла наклона крыльев. Максимумы - в местах осложнения складок поднятиями более высокого порядка.

Переслаивание гипсоангидритов с доломитами создает особые условия растворения горных пород. Воды, предельно насыщенные сульфатом кальция, при фильтрации через доломиты взаимодействуют с ними:

CaSO₄ + CaMg(CO₃)₂ = MgSO₄ + 2CaCO₃

раствор раствор

Это приводит к раздоломичиванию, а также к росту агрессивности воды по отношению к гипсоангидритам. Такое обстоятельство предопределяет формирование карстовых полостей в зоне контакта подошвы слоя доломитов и кровли пласта гипсоангидритов.

При естественной гидратации ангидрита воздействию воды подвергается не дисперсный материал, а монолитная горная порода, состоящая из кристаллов ангидрита. Гидратация осуществляется путем их растворения и путем диффузии молекул воды в кристаллическую решетку ангидрита. Гидратация через растворение заключается в растворении ангидрита и выпадении из раствора гипса на стенках трещин. Такой процесс характерен для поверхностной части межразломных блоков. Количество гидратированных гипсов обычно не превышает 2% от общего объема гипсо-ангидритового массива. Диффузионная гидратация протекает путем проникновения в кристаллическую решетку ангидрита не всей молекулы воды, а только ионов гидроксильной группы. Переход ангидрита в гипс происходит через промежуточную стадию частичного или полного растворения сернокислого кальция.