В последнее время широкое распространение получили методы морфоструктурного анализа территорий по крупномасштабным топографическим картам. Их можно рассматривать как родственные фотометодам, однако, поскольку при этом используются вторичные материалы (карты, построенные с применением стереофотограмметрии), отражающие главным образом элементы рельефа, гидрографической и эрозионной сети, то в этом случае могут быть выделены еще более крупные линеаменты. Для изучения проницаемости горных пород целесообразно применять петрографические методы изучения трещиноватости в шлифах и пришлифовках, когда объектом исследования являются малые и микротрещины.
Второй этап изучения трещиноватости заключается в статистической обработке первичного материала, что позволяет перейти к характеристике трещиноватости как совокупности тесно связанных между собой генетически и приуроченных к определенным геологическим телам трещинных систем. Применяемые методы определяют детальность и достоверность выводов при последующем анализе трещиноватости. Важное значение приобретает учет точности исходных данных. Моделировка поверхностей трещин приводит к снижению точности их ориентировки, что вынуждает при составлении распределений трещин ранжировать замеры по классам увеличенной ширины.
Статистическая обработка первичного материала позволяет сгруппировать материал в соответствии с геологической задачей, получить описательные характеристики трещиноватости, выполнить графические построения, рассчитать статистику распределений и выявить основные системы трещин, вычислить значения густоты трещин различных направлений и суммарной густоты, оценить обусловленную трещиноватостью анизотропию свойств разреза. К сожалению, изучение трещиноватости часто носит описательный характер, реже – сравнительный характер и завершается составлением роз-диаграмм азимутального типа. Остаются неиспользованными возможности выявления связей трещиноватости с тектонической структурой района, с вещественным составом и инженерно-геологическими характеристиками пород, с обвовдненностью разреза. На третьем этапе анализируется трещиноватость. При этом используются результаты статистической обработки, рассматриваемые на фоне тектонической структуры, литологических, инженерно-геологических либо гидрогеологических характеристик разреза исследуемого участка. На данном этапе выбирается рабочая гипотеза, вычисляются статистики связей, и проверяется коррелируемость статистик распределений трещин с характеристиками изучаемых явлений, оценивается согласие распределения с рабочей гипотезой, анализируются не учтенные рабочей гипотезой влияния, устанавливаются закономерные, обычно стохастические, реже функциональные связи между трещиноватостью и изучаемыми явлениями. В результате можно получить математическую модель явления или одномерный (профиль), двумерный (разрез, план) либо трехмерный (карта) графический материал, характеризующий эту модель.
На заключительном этапе составляется прогноз исследуемого явления. Прогноз может использоваться для построения карт на участки, недостаточно охарактеризованные первичным материалом, но позволяющим оценить вероятность применимости полученной модели. Более сложным является прогноз динамики процесса, поскольку полученная модель не всегда допускает возможность непосредственной экстраполяции во времени.
Изучение параметров и характеристик трещиноватости, трещинной проницаемости, трещинной анизотропии разреза, а также выявление связей и влияния трещиноватости на гидрогеологические и инженерно-геологические характеристики карстующихся толщ, является необходимым, но не достаточным условием для составления прогноза хода карстового процесса и выработкой схемы мероприятий для снижения либо предотвращения вредных его воздействий на народное хозяйство и окружающую среду. В связи с этим большое значение приобретает специальное литологическое изучение скорости карстования различных генетических и структурных разновидностей карстующихся пород, влияния нерастворимых примесей на карстовый процесс, а также выявление при изучении вторичной минерализации пород и заполнителей трещинно-полостных систем признаков активизации либо затухания карста. В данном случае также целесообразно применение аппарата статистической обработки получаемых первичных материалов.
Внедрение в геологическую практику компьютерной техники позволяет резко сократить трудоемкость вычислительных операций и повысить эффективность карстолого-спелеологических исследований (Васильев, Задорожная, 1977).
2. Факторы карстообразования
Среди факторов, определяющих процесс карстообразования, Н.А. Гвоздецкий (1954) выделяет следующие: химический состав горных пород, их структуру, трещиноватость, покровные образовании и рельеф, силу тяжести, подземные воды, тектонические структуры, мощность карстующихся пород.
Одним из основных карстообразующих факторов является химический состав горных пород. Можно утверждать, что, при прочих равных условиях, степень закарстованности больше там, где больше содержится в ней нерастворимых примесей. Влияние других факторов, как то: трещиноватости породы, количества, скорости движения и агрессивности циркулирующих вод, может сильно затушевывать влияние химического состава породы и иногда резко изменять картину.
Однако бывают исключения из выше сформулированного правила. Изучение воздействия подземных вод на мергели и другие нерастворяющиеся нацело (точнее, почти нацело) породы показало, что следует различать понятия растворения и разрушения породы. Под разрушением понимают суммарный результат выщелачивания из горной породы растворимых веществ и механического выноса током воды нерастворимого остатка. Бывает, что разрушение породы идет во много раз интенсивнее растворения. Там, где движение воды замедляется, нерастворимый остаток оседает, взвешенные частицы мути отстаиваются, – происходит отложение карстовой или пещерной глины
Разрушение породы в сравнении с растворением имеет особенно большое значение при образовании карстовых форм, а также в том случае, когда горная порода состоит из неодинаково растворимых минералов.
Если горная порода состоит из минералов с неодинаковой растворимостью и скоростью растворения, процесс ее разрушения усложняется. В известковистых доломитах, например, доломит и кварцит растворяются с разной быстротой в зависимости от их количественного соотношения в породе и скорости движения воды. При содержании доломита около 2 проц. скорость растворения кальцита меньше, чем доломита, при увеличении количества доломита соотношения скоростей растворения становится обратным и в первую очередь выщелачивается кальцит. Поэтому при растворении сильно доломитизированных известняков и известковистых доломитов. В виде остаточного продукта выщелачивания накапливается рыхлый доломит.
Отмечено, что в подобных литологических условиях карстовый процесс проявляется в разработке мелких многочисленных каверн, в высокой пористости породы, ничтожной ее прочности и в конечной стадии процесса – разрушении скальной породы с превращением ее в рыхлую мучнистую массу.
Процесс разрушения известковистого доломита сопровождается выносом 35–40 проц. первоначального объема породы, но в результате разрушения и разрыхления остающейся части продукты разрушения (доломитовая мука) целиком выполняют тот первоначальный объем, который занимала скальная порода.
В доломитизированных известняках объем породы после выщелачивания и разрушения бывает значительно меньше первоначального – объем растворенной части в несколько раз превосходит объем продуктов разрушения; последние в этом случае, следовательно, не заполняют пустоты целиком.
Процесс полного разрушения карбонатной породы, сопровождающийся изменением минералогического состава, возможен в том случае, если порода состоит не менее чем на 35 проц. из кальцита и содержит не более 65 проц. доломита. При меньшем количестве кальцита, после его выноса процесс выщелачивания и разрушения совершается далее в чистом доломите и не сопровождается изменением минералогического состава, т.е. это уже другой процесс, при котором первостепенное значение приобретает пористость (Гвоздецкий, 1954).
Также большое влияние на процесс карстообразования оказывает структура горных пород. На влияние химического состава горной породы, выражающегося в наличии или отсутствии значительного количества нерастворимой примеси, накладывается влияние структуры породы, которое затушевывает влияние химического состава при мелких его вариациях.
Большое значение имеет пористость, дающая возможность проникновения воды внутрь блоков пород, заключенных между трещинами, и даже просачивания сквозь нетрещиноватые толщи. Пористость сильно увеличивает поверхность соприкосновения воды с породой, что способствует разрушению породы путем растворения.
При лабораторных исследования растворимости доломитов было установлено, что наиболее растворимы среднезернистые и особенно разнозернистые породы. Значительно труднее растворимы микрозернистые и крупнокристаллические карбонатные породы. Но растворимость мелких кристаллов выше, чем крупных, и плохая растворимость мелкокристаллических пород связана с их малой пористостью.