Геологические условия развития карста хроника на территории Воронежской области

Геологические условия развития карста хроника на территории Воронежской области

Геологические условия развития карста хроника на территории Воронежской области

С.А.Трегуб, А.И.Трегуб, Воронежский государственный университет

В соответствии с существующими представ-лениями [1,2] под термином «карст» понимаются процессы растворения легко растворимых пород, формы рельефа, которые при этом образуются, а также совокупность отложений, приуроченных к этим формам. Карст среди экзогенных процессов занимает особое место, которое определяется тем, что наблюдающиеся формы чаще всего полигене-тичны. Собственно растворение обычно определяет начальные этапы развития карстовых форм. По мере увеличения их размеров все большее значение при-обретают водная эрозия, гравитационные процессы, суффозия и пр. Их кооперативное действие приво-дит к нелинейности карстового морфогенеза, что существенно осложняет создание статических, ди-намических, а также прогностических и ретроспек-тивных моделей карстообразования.

Классификации карста весьма разнообразны [2]. В морфологическом отношении выделяют три группы карста: поверхностный, глубинный и ком-бинированный (провальный); по геологическому строению разрезов карстовых массивов: открытый (голый), покрытый и перекрытый [3]; среди основ-ных его литологических типов: галоидный, суль-фатный, сульфидный, силикатный и карбонатный [2]. Карбонатный карст, в свою очередь, делится на известняковый, доломитовый и меловой (мел-мер-гельный). В силу широкого развития карбонатных пород карбонатный карст наиболее распространен. Вместе с тем, среди других литологических типов он наиболее сложен в физико-химическом отноше-нии. В основе растворения карбонатных пород ле-жит преобразование карбоната кальция в бикарбо-нат. Оно регулируется содержанием в воде углеки-слого газа. Это содержание зависит от многих при-чин, среди которых температура воды является наи-более важной, поскольку напрямую обусловлена параметрами климата. Карбонатный карст по этой причине делится на ряд климатических типов, среди которых карст умеренного климата (классический карст) и карст влажных тропиков (тропический карст) занимают наиболее важное место [1,2]. Кар-стовые проявления принято делить на активные, развивающиеся в настоящее время, реликтовые, утратившие свою активность по той или иной при-чине, и погребенные.

Среди геологических условий развития кар-ста важнейшее значение имеют литологические, связанные с составом и характером распростране-ния потенциально карстующихся пород в разрезе и по площади; структурно-тектонические (и неотек-тонические, в частности), определяющие интенсив-ность трещиноватости пород, величину вертикаль-ного и горизонтального расчленения поверхности, запасы ее потенциальной энергии, общую актив-ность экзогенных процессов, мощность зоны аэра-ции, динамику подземного и поверхностного стока; палеогеографические (историко-геологические), обусловливающие возможность и специфику разви-тия карста в геологическом прошлом.

Степень изученности карбонатного карста на территории Воронежской области вряд ли можно назвать удовлетворительной. Если географическим аспектам формирования современных карстовых ландшафтов посвящено большое количество работ, охватывающих всю Восточно-Европейскую равни-ну или ее отдельные части [4-6], то геологии карста пока посвящены редкие публикации [7,8]. Вместе с тем геологические аспекты изучения карста наряду с географическими имеют важное значение при ин-женерно-геологических дрогеологи-ческих и геоэкологических исследованиях. Древние проявления карс, развивающиеся в парагезисе с другими процессми корах выветваня, тесно связаны с возникновением целого ряда месторожде-ний полезных ископаемыхВсе эт обусловливает настоятельную необходиостькомплексного под-хода к изучению карста, разработке новых методик картирования его проявлений как на новейшем эта-пе геологического развития территории, так и в от-даленном геологическом прошлом. В целом при изучении геологических условий развития карбо-натного карста территории Воронежской области можно наметить ряд наиболее важных направлений: 1 – картирование и морфологическая систематика как современных так и древних проявлений карста в мел-мергельном и известняковом вариантах; 2 – изучение и классификация карстовых отложений; 3 – исследование литологических свойств потенци-ально карстующихся пород в тесной связи с текто-нической и неотектонической структурой региона; 4 – выделение эпох карстообразования в истории формирования осадочного чехла.

В основу районирования территории Воро-нежской области по условиям развития экзогенных процессов может быть положена неотектоническая структура этой территории [9]. Неотектонические движения (движения неоген-четвертичного време-ни) определили каркас современного рельефа, мощ-ность зоны гипергенеза и характер ее разреза в раз-личных частях территории Воронежской области. В структуре новейшего (неогенового и четвертичного) структурно-вещественного комплекса (СВК) основ-ными типами структурных элементов являются пликативные штамповые структуры (поднятия, де-прессии, структурные террасы) и разделяющие их области динамического влияния разломов (ОДВР) фундамента, которые образованы парагенезисом пликативных и дизъюнктивных элементов [10]. Во-ронежская область располагается на сочленении Окско-Донской впадины и Среднерусской антекли-зы - пликативных структур первого ранга (рисунок). Граница между ними отчетливо выражена во всех элементах неоген-четвертичного СВК: в рельефе поверхности, наборе генетических типов новейших отложений, их возрастном диапазоне и мощностях. Она также выражена в распределении скоростей современных вертикальных тектонических движе-ний. В структуре кристаллического основания платформы эта граница отчетливо коррелируется с зонами крупных разломов, которые разделяют гете-рогенные блоки докембрийского фундамента [11]. Длительная активность разломов в продолжение всего фанерозоя обусловила формирование в над-разломном пространстве осадочного чехла зон ин-тенсивной трещиноватости и, как следствие, повы-шенной проницаемости пород.

В пределах Окско-Донской впадины в разрезе осадочного чехла к потенциально карстующимися породам могут быть отнесены отдельные горизонты девона, представленные в значительной степени известняками и доломитами. В области Среднерус-ской антеклизы основное значение имеет мел-мергельная толща верхнего мела. Строение зоны гипергенеза территории Среднерусской антеклизы неоднородно и подчинено неоструктурному плану. Среди штамповых структур второго ранга здесь вы-деляются Еманчинское, Острогожское, Кантемиров-ское и Калачское поднятия, границы между кото-рыми представлены Потуданским, Чернокалитвин-ским и Павловско-Мамонским линейными прогиба-ми, сформированными над крупными зонами раз-ломов в фундаменте: Репьевско-Лискинской, Чер-нокалитвинской, Лосевско-Мамонской [12].

Еманчинское поднятие располагается на пра-вобережье Дона в бассейнах рек Трещевки, Ведуги, Девицы и Потудани. Семилукским прогибом [12] поднятие делится на две части: северную и южную. В северной части в строении разреза зоны гиперге-неза принимают участие два потенциально кар-стующихся карбонатных комплекса: верхнемеловой и девонский. Верхнемеловой комплекс представлен в основном туронским и коньякским ярусами. В литологическом отношении [13] туронский ярус сформирован мелом с большой примесью кварцево-го песка (особенно в нижних частях разреза), а коньякский более чистым, местами слабо глини-стым писчим мелом. Их общая мощность в конту-рах северной части Еманчинского поднятия дости-гает 15 м. Подошва карбонатного комплекса во многих местах вскрывается в склонах речных и ба-лочных долин, подстилаясь преимущественно пес-чаными отложениями сеноманского, альбского, апт-ского ярусов, а также неокомского надъяруса. Ме-ловая толща перекрыта почти повсеместно леднико-выми отложениями, субаэральными лессово-почвенными образованиями, комплексом склоновых отложений четвертичного возраста, а также непо-средственно современными почвами. Мощность перекрывающих отложений весьма изменчива, но обычно не превосходит 5 м. На значительных пло-щадях на склонах речных и овражно-балочных до-лин писчий мел выходит непосредственно на днев-ную поверхность. Такое строение разреза с учетом большого вертикального и горизонтального расчле-нения обеспечивает высокую степень дренажа под-земных вод и весьма благоприятные условия для возникновения и развития карста как в поверхност-ных, так и в глубинных формах; в открытом и по-крытом вариантах. Формирование глубинного кар-ста должно тяготеть к зонам повышенной трещино-ватости вдоль границ северной части поднятия. Среди сопутствующих экзогенных процессов усло-вия благоприятны для развития вертикальной суф-фозии, оползней отседания, плоскостной и линей-ной водной эрозии. Карстовые и указанные сопутст-вующие им явления сосредоточены в верхнем ярусе современного рельефа.

Второй комплекс потенциально карстующих-ся пород залегает под отложениями нижнего мела и образован верхней частью воронежского горизонта франского яруса верхнего девона, которая сложена преимущественно раскристаллизованными извест-няками мощностью до 1,5 м [13]. Выходы известня-ков вскрываются в правом борту долины Дона, а также в нижних частях склонов на уровне тыловых швов пойм в долинах Ведуги и Девицы. Их кровля часто образует поверхность структурной террасы, которая перекрыта деляпсием мощностью до 1 м. Известняки подстилаются преимущественно глини-стыми и карбонатно-глинистыми отложениями де-вона, создающими достаточно выдержанный по площади водоупор. Известняковый карст в сравне-нии с меловым имеет подчиненное значение.

В южной части Еманчинского поднятия на высоких водоразделах верхнемеловой карбонатный комплекс перекрыт преимущественно песчано-алевритовыми отложениями палеогена, что обу-словливает возможность широкого распространения покрытого карста. На сниженных водоразделах и придолинных частях склонов верхнемеловой карбо-натный комплекс перекрыт четвертичными ледни-ковыми и субаэральными лессово-почвенными об-разованиями мощностью до 5 м. Мощность верхне-меловых отложений наращивается за счет сантон-ского яруса. В южной части Еманчинского поднятия воронежский горизонт отсутствует и в зоне гипер-генеза, таким образом, выделяется только верхне-меловой карбонатный комплекс.

Острогожское неотектоническое поднятие охватывает междуречье Потудани, Дона и Черной Калитвы (Донское Белогорье). В состав верхнеме-лового карбонатного комплекса входят писчий мел, мелоподобные и глинистые мергели туронского, коньякского, сантонского и кампанского ярусов, которые подстилаются преимущественно песчаны-ми отложениями нижнего мела незначительной мощности и девонскими в основном терригенными образованиями. Мощность верхнемеловой толщи достигает 100 и более метров. Ее подошва вскрыва-ется в самых глубоких эрозионных врезах по право-бережью Дона. На значительных площадях верхне-меловой карбонатный комплекс перекрыт (до 30-40 м) палеогеновыми отложениями, среди которых важное значение имеют глины киевской свиты эо-цена (мощностью до 20 м) [13]. Глины образуют выдержанный по площади водоупорный горизонт. На площади их распространения возможно развитие лишь перекрытого карста в зонах повышенной тре-щиноватости мел-мергельных пород. На сниженных водоразделах, в придолинных частях склонов рек и балок мел-мергельная толща перекрывается четвер-тичными отложениями или непосредственно выхо-дит на дневную поверхность. Здесь создаются усло-вия для активного развития открытого поверхност-ного и глубинного карста. Палеозойский карбонат-ный комплекс в пределах зоны гипергенеза Осторо-гожского поднятия отсутствует.

Кантемировское неотектоническое поднятие, занимающее крайний юг Воронежской области на правобережье Черной Калитвы, характеризуется широким распространением по площади песчаных и глинистых отложений палеогенового и неогенового возраста, которые перекрываются лессово-почвен-ными образованиями квартера. Верхнемеловой кар-бонатный комплекс выходит в нижних частях скло-нов речных и крупных балочных долин. Его подош-ва нигде не обнажается и уходит глубоко за пределы современного положения нижней границы зоны гипергенеза. Верхнемеловые мел-мергельные отло-жения представлены туронским, коньякским, сан-тонским, кампанским и, местами, маастрихтским ярусами. На большей части территории современ-ное развитие карстовых процессов возможно только в формах перекрытого карста.

Калачское неотектоническое поднятие, соот-ветствующее в рельефе одноименной возвышенно-сти, характеризуется увеличенной средней мощно-стью четвертичных отложений, представленных помимо аллювиальных, ледниковыми, водно-ледни-ковыми и лессово-почвенными образованиями. Приводораздельные пространства сложены песчано-глинистыми палеогеновыми отложениями значи-тельной мощности, под которыми залегает верхне-меловой карбонатный комплекс. Он представлен туронским, коньякским, сантонским ярусами и под-стилается преимущественно песчаными образова-ниями сеномана, а также нижнего мела. Развитие мелового карста возможно в перекрытом поверхно-стном и глубинном вариантах. Только в бортовых частях крупных долин, где мел-мергельная толща выходит на поверхность, возможны проявления го-лого карста.

В пределах Окско-Донской впадины в разрезе осадочного чехла карбонатные отложения связаны только с палеозойскими образованиями. Характер разреза зоны гипергенеза подчинен неоструктурно-му плану, в котором среди структурных элементов второго ранга в пределах Воронежской области ус-тановлены Кривоборская, Масальская, Токаревская депрессии и Шукавкинское поднятие [12]. В Криво-борском и Масальском прогибах девонские отложе-ния перекрыты неогеновыми и четвертичными пре-имущественно аллювиальными песчаными образо-ваниями. Карбонатный комплекс приурочен к сар-гаевскому и, частично, воронежскому горизонтам и представлен известняками раскристаллизованными, прослоями глинистыми. Воронежские и саргаевские отложения в разрезе разделены карбонатно-глинистыми, глинистыми и песчаными образова-ниями семилукского и петинского горизонтов [13]. Развитие известнякового карста здесь возможно в покрытых и перекрытых формах в поверхностном и глубинном вариантах. На остальной территории неоген-четвертичные отложения подстилаются пес-чано-глинистой толщей нижнего мела. Развитие карстовых форм возможно в перекрытом поверхно-стном варианте, а в зонах повышенной трещинова-тости над разломами в фундаменте имеются благо-приятные условия для образования глубинного кар-ста.

Важнейшие эпохи формирования карбонат-ного карста на территории Воронежской области тесно связаны с эпохами корообразования Воро-нежской антеклизы [14]. Наиболее значительными из них для мел-мергельного карста являются но-вейшая эпоха, охватывающая неоген и квартер и предпалеогеновая, а для известнякого – предмезо-зойская. Каждая из них неоднородна по внутренней структуре и характеризуется наличием более крат-ковременных периодов активизации карста, связан-ных с геоморфологическим циклами континенталь-ного развития территории и климатическими изме-нениями. Последние могут существенно влиять на ход карстового морфогенеза. В частности для пред-палеогеновой поверхности несогласия характерны формы тропического карста, специфика которого [2] заключается в преимущественном интенсивном раз-витии поверхностного выщелачивания с образова-нием крупных котловин при весьма ограниченном распространении глубинных и провальных образо-ваний, свойственных карсту влажного умеренного климата. Такие формы с размерами в плане, изме-ряющимися сотнями метров и первыми километра-ми установлены в кровле мела в области Острогож-ского и Калачского поднятий [5,8]. Известняковый карст предмезозойского этапа еще требует своего изучения.

Литологические особенности карстовых от-ложений территории Воронежской области характе-ризуются своей полигенетичностью [5]. Для мел-мергельного карста среди них можно выделить сле-дующие важнейшие разновидности: карстовый элю-вий, коллювиально-карстовые образования, хемо-генно-карстовые (травертины), карстово-озерные и болотные отложения. Их проявления отмечены в различных частях территории, но требуют дальней-шего изучения с позиций минерального и литологи-ческого в целом состава.

Список литературы

1. Щукин И.С. Общая геоморфология. Т.2. - М., 1964. -564 с.

2. Якуч Л. Морфогенез карстовых областей. Варианты эволюции карста. - М., 1979. - 388 с.

3. Дублянская Г.Н., Дублянский В.Н. Картографирова-ние, районирование и инженерно-геологическая оцен-ка закарстованных территорий. -Новосибирск, 1992. - 144 с.

4. Чикишев А.Г. Карст Русской равнины. - М., 1978. –190 с.

5. Михно В.Б. Меловые ландшафты Восточно-Евро-пейской равнины. -Воронеж, 1993. -232 с.

6. Михно В.Б. Карстово-меловые геосистемы Русской равнины. -Воронеж, 1990. -200 с.

7. Трегуб А.И., Старухин А.А., Баловина Г.И. Неотек-тоническая структура и карбонатный карст Воронежской, Липецкой и Тамбовской областей. Деп. ВИНИТИ 985-В-94. - Воронеж, 1994. - 12 с.

8. Красненков Р.В. Погребенный меловой карст юго-восточной части Среднерусской возвышенности: Ав-тореф. дис. ... канд. геол.- минерал. н. -Воронеж, 1970. - 20 с.

9. Экзогенные геодинамические процессы: оценка, про-гноз, мониторинг (на примере Воронежской области) // А.И.Трегуб, Б.В.Глушков, Н.А.Корабельников и др. -Воронеж, 1999. - 76 с.

10. Трегуб А.И. Неотектоническая структура и поля на-пряжений территории Воронежского кристаллическо-го массива // Вестн. Воронеж. ун-та. Геология. –2001. -№11. - С. 32-44. 11. Трегуб А.И. Блоки первого ранга в неотектонической структуре Воронежского массива // Общие вопросы тектоники. Тектоника России: Материалы XXXIII Тектонического совещ. - М., 2000. - С. 529-531.

12. Раскатов Г.И. Геоморфология и неотектоника терри-тории Воронежской антеклизы. - Воронеж, 1969. - 164 с.

13. Литология и фации донеогеновых отложений Воро-нежской антеклизы / А.Д.Савко, С.В.Мануковский, А.И.Мизин и др.: Тр. НИИ Геологии ВГУ. -Вып.3. - Воронеж, 2001. - 201 с.

14. Савко А.Д. Эпохи корообразования в истории Воро-нежской антеклизы. –Воронеж, 1979. – 120 с.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.vestnik.vsu.ru