Карст ( / k ɑːr s t / ) — это рельеф , образованный в результате растворения растворимых карбонатных пород, таких как известняк и доломит . Он характеризуется такими особенностями, как полье наверху и дренажными системами с карстовыми воронками и пещерами под землей. [1] [2] Существуют некоторые свидетельства того, что карст может возникать в более устойчивых к выветриванию породах, таких как кварцит, при наличии соответствующих условий. [3]
Подземный дренаж может ограничивать поверхностные воды, при этом рек и озер мало или совсем нет. В регионах, где растворенная коренная порода покрыта (возможно, обломками) или ограничена одним или несколькими наложенными нерастворимыми слоями породы, отличительные карстовые особенности могут встречаться только на подземных уровнях и могут полностью отсутствовать над землей. [4]
Изучение палеокарста (погребенного карста в стратиграфической колонке ) имеет важное значение в нефтяной геологии , поскольку до 50% мировых запасов углеводородов сосредоточено в карбонатных породах , и большая их часть находится в пористых карстовых системах. [5]
Английское слово karst было заимствовано из немецкого Karst в конце 19 века, [6] которое вошло в немецкий обиход гораздо раньше, [7] чтобы описать ряд геологических, геоморфологических и гидрологических особенностей, обнаруженных в пределах Динарских Альп , простирающихся от северо-восточного угла Италии над городом Триест , через Балканский полуостров вдоль побережья восточной Адриатики до Косово и Северной Македонии , где начинается массив Шарских гор . Карстовая зона находится в самой северо-западной части, описанной в ранних топографических исследованиях как плато между Италией и Словенией . Языки, сохраняющие эту форму, включают итальянский : Carso , немецкий : Karst и албанский : karsti .
В местных южнославянских языках все варианты слова происходят от романизированной иллирийской основы (дающей латинское : carsus , далматинское : carsus ), позже метатезированной из реконструированной формы * korsъ в такие формы, как словенское : kras [8] и сербохорватское : krš , kras , [9] [10] [11] [12] впервые засвидетельствованное в 18 веке, а прилагательная форма kraški — в 16 веке. [13] Как имя собственное, словенская форма Grast впервые была засвидетельствована в 1177 году. [14]
В конечном счете, слово имеет средиземноморское происхождение. Также было высказано предположение, что слово может происходить от протоиндоевропейского корня karra- 'скала'. [15] Название также может быть связано с оронимом Kar(u)sádios oros, цитируемым Птолемеем , а также, возможно, с латинским Carusardius . [13] [14]
Иоганн Вейкхард фон Вальвазор , пионер изучения карста в Словении и член Королевского общества в Лондоне, ввел слово «карст» европейским ученым в 1689 году для описания явления подземных потоков рек в своем отчете об озере Церкница . [16]
Йован Цвиич значительно продвинул знания о карстовых регионах до такой степени, что стал известен как «отец карстовой геоморфологии». В своей работе Das Karstphänomen 1893 года, посвященной в первую очередь карстовым регионам Балкан, Цвиич описывает такие формы рельефа, как каррены, долины и поля . [5] В публикации 1918 года Цвиич предложил циклическую модель развития карстовых ландшафтов. [5] [17]
Гидрология карста возникла как дисциплина в конце 1950-х и начале 1960-х годов во Франции. Ранее деятельность исследователей пещер, называемых спелеологами , считалась скорее спортом, чем наукой, поэтому подземные карстовые пещеры и связанные с ними водотоки были, с научной точки зрения, недостаточно изучены. [18]
Карст наиболее сильно развит в плотных карбонатных породах , таких как известняк, который тонкослоистый и сильно трещиноватый . Карст обычно не так хорошо развит в мелу , потому что мел очень пористый, а не плотный, поэтому поток грунтовых вод не концентрируется вдоль трещин. Карст также наиболее сильно развит там, где уровень грунтовых вод относительно низок, например, на возвышенностях с укоренившимися долинами , и где количество осадков умеренное или сильное. Это способствует быстрому движению грунтовых вод вниз, что способствует растворению коренной породы, тогда как стоячие грунтовые воды насыщаются карбонатными минералами и перестают растворять коренную породу. [19] [20]
Углекислота , вызывающая карстовые образования, образуется, когда дождь проходит через атмосферу Земли , собирая углекислый газ (CO2 ) , который легко растворяется в воде. Как только дождь достигает земли, он может проходить через почву , что обеспечивает дополнительный CO2, производимый почвенным дыханием . Часть растворенного углекислого газа реагирует с водой, образуя слабый раствор угольной кислоты, который растворяет карбонат кальция . [21] Первичная последовательность реакций при растворении известняка следующая: [22]
В очень редких случаях окисление может играть свою роль. Окисление сыграло важную роль в формировании древней пещеры Лечугилла в американском штате Нью-Мексико [23] и в настоящее время активно в пещерах Фразасси в Италии. [24]
Окисление сульфидов , приводящее к образованию серной кислоты , также может быть одним из факторов коррозии в карстовых образованиях. Поскольку поверхностные воды, богатые кислородом ( O 2 ), просачиваются в глубокие бескислородные карстовые системы, они приносят кислород, который реагирует с сульфидом, присутствующим в системе ( пирит или сероводород ), образуя серную кислоту (H 2 SO 4 ). Затем серная кислота реагирует с карбонатом кальция, вызывая повышенную эрозию в известняковых образованиях. Эта цепочка реакций выглядит следующим образом:
Эта цепочка реакций образует гипс . [25]
Карстификация ландшафта может привести к появлению различных крупно- и мелкомасштабных особенностей как на поверхности, так и под ней. На открытых поверхностях мелкие особенности могут включать в себя желобки растворов (или rillenkarren), ручьи , известняковые мостовые (клинты и грайки), каменицы, которые в совокупности называются карренами или ляпьезами. Поверхностные особенности среднего размера могут включать карстовые воронки или сеноты (закрытые бассейны), вертикальные шахты, foibe (карстовые воронки в форме перевернутой воронки), исчезающие ручьи и вновь появляющиеся источники .
Крупномасштабные особенности могут включать известняковые мостовые , поля и карстовые долины. Зрелые карстовые ландшафты, где больше коренной породы было удалено, чем осталось, могут привести к карстовым башням или ландшафтам стогов сена/коробок для яиц . Под поверхностью могут образовываться сложные подземные дренажные системы (например, карстовые водоносные горизонты ) и обширные пещеры и пещерные системы. [19]
Эрозия вдоль известняковых берегов, особенно в тропиках , приводит к образованию карстового рельефа, включающего в себя острую поверхность макатеа выше обычного уровня моря и подмывы, которые в основном являются результатом биологической активности или биоэрозии на уровне или немного выше среднего уровня моря . [26] Некоторые из наиболее впечатляющих из этих образований можно увидеть в заливе Пхангнга в Таиланде и в заливе Халонг во Вьетнаме .
Карбонат кальция, растворенный в воде, может выпадать в осадок там, где вода выделяет часть растворенного в ней углекислого газа. Реки, вытекающие из источников, могут образовывать террасы из туфа , состоящие из слоев кальцита, отложившихся в течение длительного времени. В пещерах множество образований, которые в совокупности называются спелеотемами, образуются путем отложения карбоната кальция и других растворенных минералов.
Межпластовой карст — это карстовый ландшафт, который развивается под слоем нерастворимых пород. Обычно это будет включать слой песчаника, залегающий над известняковыми пластами, подвергающимися растворению. Например, в Соединенном Королевстве обширные поля долин образовались в Сефн-ир-Истрад , Минидд-Ллангатвг и Минидд-Ллангинидр в Южном Уэльсе через слой песчаника Тврч , который залегает над скрытым каменноугольным известняком , причем последнее месторождение было объявлено местом особого научного интереса в связи с этим. [27]
Кегелькарст — это тип тропического карстового рельефа с многочисленными конусообразными холмами, образованными кокпитами, моготами и польями , без сильных процессов речной эрозии. Этот рельеф встречается на Кубе, Ямайке, в Индонезии, Малайзии, на Филиппинах, в Пуэрто-Рико, на юге Китая, в Мьянме, Таиланде, Лаосе и Вьетнаме. [28]
Соляной карст (или «галитовый карст») развивается в районах, где соль растворяется под землей. Это может привести к поверхностным просадкам и провалам, которые представляют собой геоопасность. [29]
Карстовые области, как правило, имеют уникальные типы лесов. Карстовая местность трудна для пересечения людьми, поэтому их экосистемы часто относительно нетронуты. Почва, как правило, имеет высокий pH, что способствует росту необычных видов орхидей, пальм, мангровых деревьев и других растений. [30]
Палеокарст или палеокарст — это развитие карста, наблюдаемое в геологической истории и сохранившееся в последовательности горных пород, фактически ископаемый карст. Например, есть поверхности палеокарста, обнаженные в подгруппе долины Клайдах каменноугольной известняковой последовательности Южного Уэльса, которые образовались в результате субаэрального выветривания недавно образованных известняков, которое имело место в периоды отсутствия осадконакопления в течение ранней части периода. Осадконакопление возобновилось, и новые слои известняка отложились на нерегулярной карстовой поверхности, цикл повторялся несколько раз в связи с колебаниями уровня моря в течение длительных периодов. [31]
Псевдокарсты по форме или внешнему виду похожи на карстовые образования, но создаются другими механизмами. Примерами служат лавовые пещеры и гранитные торсы — например, пещера Лабертуш в Виктории, Австралия — и палеоколлапсные образования. Грязевые пещеры являются примером псевдокарста.
Карстовые образования имеют уникальную гидрологию, что приводит к появлению множества необычных особенностей. Карстовое окно (карстовый ручей) возникает, когда подземный поток выходит на поверхность между слоями породы, каскадом падает на некоторое расстояние, а затем исчезает обратно, часто в карстовой воронке.
Реки в карстовых районах могут исчезать под землей несколько раз и возникать снова в разных местах, даже под другим названием, как, например , Любляница — «река семи имен».
Другим примером является река Попо-Эджи в округе Фремонт, штат Вайоминг , где в месте под названием «Синкс» в государственном парке Синкс-Каньон река впадает в пещеру в формации, известной как Мэдисонский известняк, а затем снова поднимается на 800 м ( 1⁄2 мили ) вниз по каньону в спокойном бассейне.
Турлоух — уникальный тип сезонного озера , встречающийся в ирландских карстовых районах и образующийся в результате ежегодного подъёма воды из подземной водной системы.
Основная статья Водоносный горизонт#Карст
Карстовые водоносные горизонты обычно развиваются в известняке . Поверхностная вода, содержащая природную углекислоту, движется вниз в небольшие трещины в известняке. Эта углекислота постепенно растворяет известняк, тем самым увеличивая трещины. Увеличенные трещины позволяют большему количеству воды проникать внутрь, что приводит к постепенному увеличению отверстий. Обильные небольшие отверстия хранят большое количество воды. Более крупные отверстия образуют систему каналов, которая дренирует водоносный горизонт к источникам. [32]
Характеристика карстовых водоносных горизонтов требует полевых исследований для обнаружения карстовых воронок, оврагов , тонущих ручьев и источников в дополнение к изучению геологических карт . [33] : 4 Обычные гидрогеологические методы, такие как испытания водоносных горизонтов и потенциометрическое картирование, недостаточны для характеристики сложности карстовых водоносных горизонтов и должны быть дополнены следами красителя , измерением расхода родников и анализом химии воды. [34] Геологическая служба США определила, что обычные модели подземных вод, которые предполагают равномерное распределение пористости, неприменимы для карстовых водоносных горизонтов. [35]
Линейное выравнивание поверхностных особенностей, таких как прямые участки потока и карстовые воронки, развиваются вдоль следов разломов . Расположение скважины в следе разлома или пересечении следов разломов увеличивает вероятность обнаружения хорошего производства воды. [36] Пустоты в карстовых водоносных горизонтах могут быть достаточно большими, чтобы вызвать разрушительное обрушение или просадку поверхности земли, что может инициировать катастрофический выброс загрязняющих веществ. [37] : 3–4
Скорость потока грунтовых вод в карстовых водоносных горизонтах намного выше, чем в пористых водоносных горизонтах. Например, в водоносном горизонте Бартон-Спрингс-Эдвардс следы красителя измеряли скорость потока карстовых грунтовых вод от 0,5 до 7 миль в день (от 0,8 до 11,3 км/д). [38] Быстрые скорости потока грунтовых вод делают карстовые водоносные горизонты гораздо более чувствительными к загрязнению грунтовых вод, чем пористые водоносные горизонты. [33] : 1
Подземные воды в карстовых районах загрязняются так же легко, как и поверхностные водотоки, поскольку карстовые образования имеют пещеристую структуру и обладают высокой проницаемостью, что снижает возможность фильтрации загрязняющих веществ.
Вода из скважины также может быть небезопасной, поскольку вода могла беспрепятственно вытекать из воронки на пастбище для скота, минуя обычную фильтрацию, которая происходит в пористом водоносном горизонте . Воронки часто использовались в качестве фермерских или общественных мусорных свалок . Перегруженные или неисправные септики в карстовых ландшафтах могут сбрасывать неочищенные сточные воды прямо в подземные каналы.
Геологи обеспокоены этим негативным влиянием деятельности человека на гидрологию карста, которая по состоянию на 2007 год [обновлять]обеспечивала около 25% мирового спроса на питьевую воду. [39]
Земледелие в карстовых районах должно учитывать нехватку поверхностной воды. Почвы могут быть достаточно плодородными, а осадки — достаточными, но дождевая вода быстро проникает через трещины в землю, иногда оставляя поверхность почвы пересохшей между дождями.
Карстовый рельеф также создает особые трудности для людей. Карстовые воронки могут развиваться постепенно по мере увеличения поверхностных отверстий, но прогрессирующая эрозия часто не видна, пока крыша пещеры внезапно не обрушится. Такие события поглотили дома, скот, автомобили и сельскохозяйственную технику. В Соединенных Штатах внезапное обрушение такой пещеры-карстовой воронки поглотило часть коллекции Национального музея Corvette в Боулинг-Грин, штат Кентукки, в 2014 году. [40]
Самый большой в мире известняковый карст — австралийская равнина Налларбор . Словения имеет самый высокий в мире риск возникновения карстовых воронок, в то время как западный Хайленд-Рим на востоке США находится на втором месте по риску возникновения карстовых воронок. [41] [42]
В Канаде, в национальном парке Вуд-Баффало , на северо-западных территориях, есть области карстовых воронок. [43] В Мексике находятся важные карстовые регионы на полуострове Юкатан и в Чьяпасе . [44] На западе Ирландии находится Буррен , карстовый известняковый район. Южно-китайский карст в провинциях Гуйчжоу , Гуанси и Юньнань является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО.
Многие термины, связанные с карстом, происходят из южнославянских языков и вошли в научный оборот благодаря ранним исследованиям динарского альпийского карста на Западных Балканах.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )