CC BY
44
ДК 561.44:622
Э.И.АФАНАСИАДИ, О.Н.ГРЯЗНОВ С.Г.ДУБЕЙКОВСКИЙ, О.Б.НЕЩЕТКИН
Уральская государственная горно-геологическая академия
КАРБОНАТНЫЙ КАРСТ ВОСТОЧНО-УРАЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
В пределах Восточно-Уральской области выделен ряд районов и участков по условиям распространения закарстованных карбонатных пород нижнего и среднего карбона. Отмечена техногенная активизация карстового процесса вдоль трасс железных дорог, в районах добычи полезных ископаемых, на участках больших водозаборов. Подчеркивается большая актуальность изучения закарстованных территорий при их освоении.
The East-Ural district has been divided into several sections according to the conditions of karst carbonate rocks propagation of lower and upper carbon. Man-caused energization of karstic process has been noted along railways, in the areas of minerals extraction, in the territories of big water intakes. A high priority of studying the territories to be developed is emphasized herein.
Согласно схеме инженерно-геологического районирования Урала, в структурно-вещественных комплексах Уральской складчатой системы выделяются четыре области распространения карстующих и закарстованных пород Северо-Уральская, Западно-Уральская, Южно-Уральская и Восточно-Уральская [6, 7]. Восточно-Уральская область, расположенная на восточном склоне Среднего и Южного Урала, охватывает среднюю часть Восточно-Уральского региона II порядка в границах Алапаевско-Теченского мегасинклинория на севере и Копейско-Брединского мегасинклинория на юге и нескольких разобщенных мелких районов в пределах погребенных под мезо-кайнозоем Камышловского и Талицкого ме-гантиклинориев. Алапаевско-Теченский ме-гасинклинорий протягивается с севера на юг на 420 км при ширине 10-40 км. Сменяющий его к югу Капейско-Брединский мега-синклинорий имеет длину почти 200 км с варьирующей шириной от 10 до 30 км.
В основании разреза синклинорных структур залегают вулканогенные, вулкано-генно-терригенные (Дг), терригенные, тер-ригенно-карбонатные (Дз) отложения. На них с размывом ложатся осадки терриген-ной (угленосной) толщи нижнего карбона (С^-Уг). В ее строении выделяются два типа разрезов: карбонатных осадков неглубо-
46 _
кого моря и терригенных угленосных отложений континентальных, лагунных и при-брежно-морских фаций. Выше по разрезу залегают породы верхневизейского подъя-руса. Выделены туфогенно-осадочный (песчаники, алевриты, мергели, известняки, ту-фоаргелиты, туфопесчаники с подчиненными прослоями базальтовых порфиритов и их туфов) суммарной мощностью 650 м и карбонатный (известняки) мощностью 350 м типа разрезов. На известняках верхнего визе согласно залегают рифогенные известняки серпуховского яруса (С^Цв). Выше с размывом и угловым несогласием лежат осадки башкирского яруса, представленные в нижней части разреза терригенными образованиями, переходящими в прибрежно-морские брекчиевидные известняки (СгЬ). Завешают разрез обломочные осадки шельфа и лагун с прослоями известняков московского яруса (С2ГТ1). Суммарная мощность башкирских и московских отложений 480-600 м. С размывом и несогласием на них локально ложатся терригенные породы и кислые эффузивы С2-3 (Т.Г.Грабежева, 1987).
На денудированной поверхности гер-цинид в период мезозойского континентального рифтогенеза в зонах приразломно-го растяжения закладываются наложенные триас- юрские угленосные структуры: в Ко-пейско-Брединском мегасинклинории Челя-
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. ТЛ53
бинский грабен, в Алапаевско-Теченском мегасинклинории Буланаш-Елкинская впадина, впадины Серовского района - Волчан-ская, Богословская, Мостовская. В основании разреза южных депрессий широко распространена вулканогенно-осадочная толща. Эффузивно-пирокластические образования, относимые к риолит-базальтовой формации туринской серии, рассредоточены в разрезе нижнего и нижней части верхнего триаса общей мощностью до 1000 м. Депрессии северного района амагматичны.
На размытой поверхности палеозойского субстрата в восточной части рассматриваемой территории с резким угловым несогласием лежат отложения мелового возраста, представленные континентальными осадками нижнего и морскими отложениями верхнего отделов. Их суммарная мощность от 1 до 95 м. В небольших разобщенных углублениях палеозойского фундамента сохранились палеоген-неогеновые континентальные осадки суммарной мощностью 5-55 м. Континентальные отложения четвертичного возраста развиты повсеместно и представлены элювиальными, элювиально-делювиальными, делювиальными, аллювиальными, озерными и болотными генетическими типами.
Длительный континентальный перерыв, установившийся с позднего палеозоя до наступления верхнемеловых морских трансгрессий, способствовал формированию мощных кор физического и химического выветривания при активном сочетании климатических, геологических, тектонических и гидрогеологических факторов. Согласно М.С.Рапопорту, М.Н.Анненковой и И.З.Шубу, на исследуемой площади преобладают мезозойские коры выветривания. Олигоценовые коры существенно уничтожены эрозией и денудацией. Миоценовое выветривание фиксируется очень редко в виде красно-цветного наложения на мезозойский элювий. В плиоцен-четвертичное время выветривание выразилось в образовании дресвяно-щебнистого элювия без существенного изменения химического и минерального состава горных пород. Мощность коры выветривания варьирует от 0 до 140 м, составляя по разрезам большинства скважин 5-20 м.
Выделяются остаточный и перемещенный генетические типы кор выветривания, а по морфологии - площадной и линейный. Коры характеризуются каолиновым профилем выветривания. В разрезе выделяются три зоны: дезинтеграции, промежуточных продуктов (гидрослюдисто-монтмориллонитовая) и глинистых (каолинитовая) продуктов.
В пределах Восточно-Уральской области нами выделяется ряд районов и участков по геологическим условиям распространения закарстованных и потенциально кар-стующихся пород в карбонатных отложениях нижнего и отчасти среднего карбона. В Алапаевско-Тегенском мегасинклинории карст выявлен в семи районах: Махневском, Коптеловском, Алапаевском, Буланашском, Сухоложско-Каменском, Усть-Багарякском и Аргаяшском; в Копейско-Брединском мегасинклинории - в четырех районах: Боязи-ковском, Копейско-Коркинском, Долгодере-венском и Челябинском. Потенциально кар-стующиеся карбонатные отложения карбона, перекрытые осадками мела, нижнего палеогена и олигоцен-четвертичного возраста, установлены в семи небольших районах и участках Камышловского мегантиклинория и трех участках Талицкого мегантиклинория. Наибольшей закарстованностью, изученностью карстопроявлений характеризуется Сухоложско-Каменский район, который можно рассматривать в качестве ключевого (эталонного) для природных условий синклинорных структур.
В Сухоложско-Каменском районе за-карстованность карбонатного разреза достаточно исследована на участке железнодорожной трассы Кунара-Богданович, на Ку-нарском, Северо-Богдановичском, Первом Богдановичском месторождениях известняков, в районе Смолинской пещеры, в г. Каменск-Уральском и его окрестностях.
На перегоне Кунара-Богданович карсто-логической съемкой на площади 12 км2 в ви-зейских и серпуховских известняках выявлено свыше 160 карстопроявлений (13,3 формы открытого карста на 1 км2), представленных западинами, воронками, провалами. Разведочными работами зафиксирован покрытый карст, выраженный пустотами, полостями,
как правило, заполненными глиной, щебнем, дресвой, реже песком. По категории устойчивости относительно провалов участок может быть отнесен к категории II - В с интенсивностью провалообразования 0,1-1 случай на 1 км2 в год при среднем диаметре провалов 3-10 м.
Карбонатные породы района используются в качестве сырья для портландцемента (Кунарское месторождение), строительной извести, строительного щебня и бутового камня (Северо-Богдановичское, Первое Бо-гдановичское месторождения); они размещаются в полосе распространения известняков визейского и серпуховского ярусов С^
Кунарское месторождение приурочено к интенсивно дислоцированным известнякам пестрого химического состава: от чистых до в разной степени доломитизирован-ных и окремненных. Геолого-разведочными работами установлен открытый современный, покрытый (под мезозойским элювием и четвертичными отложениями) и глубинный карст. Открытый карст представлен воронками диаметром 4-30 м при глубине 1-15 м и карстовыми логами 120-150 х 60-70 м. Покрытый карст представлен простыми по форме одиночными воронками и сложными, имеющими площадь по кровле палеозойского фундамента от 15 до 217 м2 Заполнитель карстовых воронок глины, нередко запе-соченные с щебнем известняков, жолваками кремней, песок мелко-среднезернистый с галькой кварца. Глубинный карст широко развит на месторождении и представлен трещинами, пустотами с глинистым заполнителем, содержащим обломки известняков. Поверхностная закарстованность месторождения 3,6 % площадная 7,6 %. Глубинный карст по данным разведки составляет 7,7 %, по материалам добычи - 14 %. Общая суммарная закарстованность известняков по месторождению 11,3 %.
Карбонатные породы Северо-Богда-новичского месторождения представлены органогенными и обломочными (известняковые брекчии) известняками. По химическому составу среди них выделяются чистые (преимущественно кальцитовые, слабо доломитизированные и окремненные). Кар-
бонатные породы закарстованы. Установлен поверхностный и глубинный карст. Поверхностный карст распространен до глубины 30 м и представлен воронками диаметром 10-30 м при глубине 1,4-6,0 м, западинами диаметром до 50 м и глубиной 1,5-2,0 м; линейными формами протяженностью 50-570 м при ширине 25-60 м, глубиной до 10-28 м от поверхности. Заполнитель - глины, иногда запесоченные с обломками и щебнем карбонатных пород. Глубинная закарстованность распространена неравномерно и проявлена в виде трещин, пор растворения (до 2 мм), каверн (2-20 мм), полостей и пещер (от 2-5 до 13-21 м). Заполнитель -глина с примесью (до 40-60 %) обломков, щебня и песка карбонатных пород. Наибольшее количество карстовых полостей сосредоточено в интервале глубин 40-90 м, отдельные редкие формы установлены на глубине до 200-300 м. Закартованность известняков в зоне развития глубинного карста, по данным разведочного бурения скважин, в контурах запасов на известь - 2,1 %, на щебень - 6,0 %, в контурах забалансовых запасов на щебень - 4,8 %, в целом по месторождению - 4,8 %. Закарстованность известняков в зоне развития поверхностного карста (глубина до 30 м) составляет в контурах запасов на известь 5,5 %, на щебень -7,6 %; в контурах забалансовых запасов на щебень - 12,4 %; в целом по месторождению - 7,0 % [2].
Первое Богдановичское месторождение приурочено к визейским известнякам, характеризуется развитием поверхностного и глубинного карста. Поверхностные формы: воронки диаметром до 20 м, заполненные суглинками, глиной, западины размером 15-35 м в поперечнике при глубине 2-3 м, лога протяженностью 60-120 м. Глубинная закарстованность высокая (К = 2,08-34,8 %), Карстовые полости размером 0,4-7 м, реже 8-9 м заполнены глиной, песком, щебнем известняков.
Смолинская пещера и прилегающая к ней территория располагаются на левобережье р. Смолянки - левого притока р. Исеть, сложенном верхневизейскими известняками. Карстологическими исследованиями
48 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.153
здесь выявлены 73 поверхностные карстовые формы воронки, лога и западины. Самая крупная воронка протяженностью 110м при ширине 44 м развита на глубину 11,5 м. Ее объем 5900 м3 превышающий объем Смолин-ской пещеры. Размеры большей части воронок при разнообразии форм варьируют в широких пределах: от десятков сантиметров до 20-30 м в поперечнике при средней глубине 1,5 м. Коэффициент площадной закарстован-ности на четырех обследованных участках колеблется от 10,7 до 24,25 %. Многие воронки характеризуются крупными обрывистыми склонами, наличием поноров и отсутствием заполнителя. Смолинская пещера самая крупная в Свердловской области. По данным М.И.Гервица [3] ее площадь 1152 м2, объем 4144 м3, удельный объем 8,2 м3/м, суммарная длина более 500 м.
Город Каменск-Уральский и его окрестности располагаются в пределах Егор-шинско-Каменской синклинали, мульда которой сложена известняками нижнего и среднего карбона. Карбонатные отложения визейского, серпуховского и отчасти башкирского ярусов неравномерно закарстова-ны. Наиболее интенсивное развитие процесса зафиксировано на левобережье р. Каменки от железнодорожного моста до плотины Каменского пруда. Выполненными нами карстологичесими исследованиями, сейсмическим профилированием и буровыми работами установлены 93 карстовые формы - воронки, лога, западины, полости. Их распределение по размерам: <1м-57; 1 -2 м - 19; 2-3 м - 6; 3-4 м - 4; 4-5 м - 4; до 6 м 1; >9 м 2,93 % карстовых форм заполнены глиной (59 %), песком (8,6 %) и дресвяно-щебнистым материалом, 8 полостей пустые.
В пределах городской территории исследованиями А.Н.Ильина (1976) и Каменск-Уральского отделения (КУО) треста Урал-ТИСИЗ установлено неравномерное развитие карста при неглубоком (под чехлом К и Р-Ы отложений) залегании известняков С1 и наибольшой активности до глубины 5-6 м ниже кровли карбонатных пород.
Высокая закарстованность известняков серпуховского яруса выявлена в районе
пос. Мартюш на правом борту долины р. Исеть в западном пригороде Каменск-Уральского. Результаты изучения участка, выполненного КУО УралТИСИЗа (1981), и наших исследований позволили установить наличие открытого, покрытого и глубинного карста. Развитие его неравномерное, подчинено степени тектонической проработки карбонатных пород и зоне контакта серпуховских известняков с терригенной толщей Cit2 -V2. Карстологической съемкой на площади 0,432 км2 выявлено 20 карстовых воронок на открытых участках и карстово-суффозионных воронок на перекрытых участках. Размеры их варьируют в широких пределах: от долей метров в поперечнике до диаметров 35 м при глубине 8 м. В скальном обрыве правого борта долины р. Исети обнажена эродированная пещера с остатком скалы - «входом», получившим название «Каменные ворота». Глубинный карст установлен мелкими скважинами на глубине 3-6 м ниже кровли известняков под чехлом К-голоценовых отложений.
Анализ изменения коэффициента линейной закарстованности по Сухоложско-Каменскому району в целом обнаруживает, что наибольшая закарстованность отмечается для внутреннего карста на глубинах 30-70 м. Интенсивность карстового процесса контролируется тектонической нарушенно-стью массивов, условиями залегания массивов (большинство карстовых полостей приурочено к трещинам напластования в известняках), контактами с терригенными отложениями, мощностью и водопроницаемостью пород зоны аэрации.
Проведенные исследования позволяют выделить три основных периода развития карста: среднекарбоновый (башкирско-московское время); мезозойский (меловой, возможно J2 - К) и плиоцен - четвертичный до современного (N2 - Oiv).
Ранний период карстообразования может быть связан с инверсией тектонических движений. В позднебашкирское время они прервали процессы осадконакопления, а начиная с московского века весь район вступил в континентальную стадию развития. На поверхности нижнекаменноугльных известняков, особенно в приконтактовых зо-
нах с терригенными отложениями и по тектоническим нарушениям, проявились интенсивные процессы карстообразования. Следствием явилось возникновение замкнутых разнопорядковых впадин, которые при дальнейшем развитии карста трансформировались в субмеридиональные депрессии, впоследствии заполненные грубообломоч-ным и глинистым материалом.
Наличие карстующегося субстрата явилось благоприятным условием формирования в мезозое отрицательных форм рельефа. Однако места заложения и ориентировка основных депрессий рельефа при однородном составе карстующихся пород определялись главным образом тектоническими особенностями территории.
Плиоцен-четвертичный - современный карст распространен ограниченно. Проявляется он не повсеместно и с неодинаковой интенсивностью. Небольшие участки неоген-четвертичного карбонатного карста отмечены на водоразделах рек Пышмы, Куна-ры, Б.Калиновки, Исети, Каменки, а также на склонах речных долин, где карстующиеся породы непосредственно выходят на дневную поверхность или покрыты маломощным чехлом четвертичных отложений. Вероятно, с этим временем связана активизация суффозионных процессов.
Наряду с рассмотренными периодами развития экзогенного карстообразования, на восточном склоне Южного и Северного Урала установлены признаки проявления гидротермального карста. Его геологическая позиция связана с достаточно широким развитием в консолидированных структурах Урала зон мезозойского (Т-1, возможно К) континентального рифтогенеза. В этот период фиксируются активные гидротермальные процессы с и-Аи-БЬ-^ - минерализацией. Особая роль при этом принадлежит месторождениям золо-то-аргллизитовой формации светлинского и воронцовского типов. На этих месторождениях в карбонатных породах нижнепалеозойской рамы в связи с низкотемпературной джазпероидизацией мраморизованных известняков в рудоносных зонах зафиксированы пустоты и трещины растворения (выщелачивания мраморов), ноздреватые «сахаровид-
50 _
ные» и друзовидные конкреционные текстуры пород [5].
Техногенная активизация карста чаще всего происходит вдоль железных дорог (города Каменск-Уральский, Богданович, Сухой Лог и др.) при близком к поверхности залегании карбонатных пород, наличии в покровных отложениях суффозионно-неустойчивых грунтов, реже в пределах городских территорий, в районах добычи полезных ископаемых, водозаборов карстовых вод [1, 4].
Проблема инженерного освоения закар-стованных территорий на карбонатных массивах восточного склона Урала является сегодня чрезвычайно актуальной. Промышленные и гражданские сооружения, железные дороги, газопроводы и нефтепроводы, компрессорные станции, ЛЭП, расположенные на закарстованных площадях, могут быть повреждены в результате карстовых деформаций. Вид карстовых деформаций, механизм их образования и степень опасности зависят от условий залегания карстующихся пород [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасиади Э.И. Изучение, оценка и прогноз закарстованности карбонатных массивов железнодорожных трасс / Э.И.Афанасиади, В.В.Бодин, О.Н.Грязнов, С.Г.Дубейковский, О.Б.Нещеткин // Известия УГГГА. Серия: Геология и геофизика, 2000. Вып. 10. С.229-233.
2. Афанасиади Э.И. Карбонатный карст Алапаев-ско-Каменского синклинория (восточный склон Урала) / Э.И.Афанасиади, О.Н.Грязнов, С.Г.Дубейковский, О.Б.Нещеткин, Н.А.Вологжанина, С.В.Горбова // Материалы международ, симпозиума. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001. Т. 1. С.223-228.
Ъ.ГервицМ.И. Пещеры Свердловской области Пещеры. Пермь: Изд-во Института карстовед. и спелеологии, 1972. Вып. 12-13. С.49-56.
4. Грязное О.Н. Проблемы изучения и оценки состояния геологической среды урбанизированных территорий Урала / О.Н.Грязнов, И.В.Абатурова, Э.И.Афанасиади, О.М.Гуман, С.Г.Дубейковский, И.Г.Петрова // Материалы международ, симпозиума. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001. Т.2. С.463-473.
5. Грязное О.Н. Золото-аргиллизитовая формация Урала / О.Н.Грязнов, С.Н.Вахрушев // Руды и металлы, 1997 №2. С.73-84.
6. Грязное ОН. Закономерности формирования инженерно-геологических условий месторождений Урала / О.Н.Грязнов, С.Г.Дубейковский. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1995. 32 с.
1. Дубейковский С.Г Инженерно-геологическое районирование Урала / С.Г.Дубейковский, О.Н.Грязнов // Сергеевские чтения. Вып.З. М: ГЕОС, 2001. С.159-162.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.153
