تعریف کارست
در اصطلاح فنی به پدیده خوردگی و انحلال توده سنگهای کربناته(آهک و دولومیت) کارست گفته میشود.این پدیده در سایر سنگهای انحلال پذیر مانند سنگهای سولفاته و کلروره نیز اتفاق می افتد.پدیده فوق در سنگهای آواری هم دیده میشود.برای مثال ماسه سنگها و کنگلومراهای دارای سیمان کربناته و یا سولفاته تحت تأثیر انحلال کارستی خواهند شد.
اهمیت کارست
اکثر مناطق آبدار کشور در امتداد کوهای زاگرس متمرکز است که در آن مناطق کارستی زیاد است.آب شرب 25% از جمعیت جهان از منابع آب موجود در سنگهای کارستی تأمین میشود.منابع فراوانی از آب زیرزمینی مناسب به صورت آبخوانهای کارستی در زاگرس جنوبی،زاگرس شمالی،البرز و ایران مرکزی وجود دارد. چون این منابع کارستی اصولاً در ارتفاعات وجود دارند، دسترسی انسان‌ها به آنها کمتر است و به‌همین دلیل تقریباً دور از آلودگی‌های انسانی هستند. اهمیتی که این منابع دارند در احداث سازه‌هائی است که بر روی آنها انجام میشود به‌خصوص در کشور ما که سدهای زیادی در حال ساخت است و اکثر این سدها در تنگه‌ها و دره‌های کارستی احداث میشوند، بنابراین دانش مهندسی کارست اهمیت بسیاری دارد. سنگهای کربناته همچنین میزبان 50% منابع هیدروکربور جهان هستند.منابع مناسبی از نقره،سرب،روی و بوکسیت در مناطق کارستی وجود دارند.
دلایل شکل گیری کارست
کارست پدیده ای در پوسته زمین است که آثار آن به صورت اشکال مختلف از قبیل حفرات و غارها در سطح و در زیر سطح وجود دارد.علت ایجاد چنین پدیده ای به وجود شکستگی ها و قابلیت انحلال توده سنگ مربوط میشود که در نتیجه آن یک سیستم آب زیرزمینی میتواند شکل بگیرد.بنابراین شکل گیری یک سیمای کارستی در گرو وجود دو عامل است:
اول این که توده سنگ قابلیت انحلال داشته باشد
و دوم اینکه زمینه تشکیل یک سیستم جریان آب زیرزمینی فراهم گردد.
با تعریف گفته شده 27% پوسته زمین از کارست تشکیل شده است.
تخلخل در زمین شناسی مهندسی کارست
تخلخل اولیه در سنگهای آهکی و دولومیتهای ریز دانه کم است.این سنگها چنانچه فاقد درز و شکاف باشند ناتراوا محسوب میشوند.در سنگهای آهکی درشت دانه تخلخل اولیه ممکن است به بیش از 20% برسد.بعضی سنگهای کربناته مانند گل سفید ممکن است تلخل بالاتر از 50% داشته باشند.سنگ آهکهای مرجانی نیز بیش از 20%تخلخل دارند.
تخلخل اولیه در کارست چندان معمول نیست و فرآیند کارستی شدن تحت تأثیر تخلخل ثانویه است.وجود ناپیوستگی هایی که منشأ مختلف دارند میتواند به ایجاد تخلخل ثانویه منجر شود.این ناپیوستگی ها ممکن است ساختارهای تکتونیکی باشند،مانند شکستگی های کششی و برشی ویا ساختارهای رسوبی باشند.ساختارهایی مانند درزه های رهایی نیز ناپیوستگی محسوب میشوند.
برای مناطقی که در آنها کارستی شدن شدید است تخلخل ثانویه ممکن است به 10 تا 15% برسد که به طور محلی این تخلخل به 30% هم میرسد.حفرات ایجاد شده ناشی از تخلخل ثانویه مانند غارها و مجاری کارستی میتوانند توسط موادی مثل رس،سیلت،ماسه و شن پر شوند.بررسی های انجام شده بر روی سنگهی آهکی محل سد لار تخلخل ثانویه تا 21.5% دارند.
عمق کارست
کارستی شدن با فعالیت شیمیایی و انحلال توده سنگ در امتداد بازشدگی های اولیه شروع میشود و با انتقال کربنات حل شده ادامه می یابدبه تدریج مجاری کارستی شکل گرفته و فراختر میشوند.مراحل کارستی شدن در مناطق مرتفع شدت بیشتری دارد.عمق کارستی شدن در نواحی مختلف متفاوت است.کارستی شدن در برخی نواحی مانند ناحیه کارستی دیناریک در یوگوسلاوی سابق میتواند تا عمق 2236 متری هم ادامه داشته باشد.ولی در همین منطقه در بعضی نواحی عمق کارستی شدن به 250 متر هم نمیرسد.
با افزایش عمق درجه کارستی شدن کاهش می یابد و در عمق بیشتر از 300 متر به صفر میرسد.ارقام مطرح شده به شرایط منطقه بستگی دارد و عوامل مختلفی بر آن تأثیر گذارند.
نقش تکتونیک در کارستی شدن
علت اصلی نفوذپذیری سنگ ها کربناته وجود درزه هاست که امکان ورود آب و جریان یافتن آن را به داخل توده سنگ فراهم میکند.سیستم درزه های کششی معمولاً در ایجاد و توسعه کارست مهمتر هستند زیرا خود موجب تفکیک بلوکها میشوند.این درزه ها در تاقدیسها و در عمق ناودیسها فراوانند.
درزه های تشکیل شده در سطح شدت هوازدگی را بالا میبرند.درزه های عمود بر هم نیز نقش مهمی دارند.نواحی گسله مستعد کارستی شدن هستند و در این مناطق فروچاله ها و فرورفتگ های کوچک شکل میگیرند.
خرد شدن توده های سنگی موجب افزایش سطح تماس آب میشوند و انحلال افزایش می یابد.
سرعت آب در کارست
معمولاً جریان آب در آبخوانهای کارستی آرام بوده و میانگین سرعت جریان آب در کارستهای دارای تخلخل زیاد عموماً کمتر از 1 متر در روز است که با جریان آرام یا خطی مطابقت دارد.البته کارستهایی هم وجود دارند که سرعت جریان در آنها برابر چند سانتی متر در ثانیه و یا بیشتر است.به عنوان مثال در کارستهای محدوده مخزن سد خاکی لار سرعت جریان آب در کارست از مخزن سد به سمت پائین دست بین 5 تا 12 سانتی متر در ثانیه است.
میتوان برای مناطق کارستی سرعت بین 0.002 تا 55 سانتی متر بر ثانیه را در نظر گرفت.البته مقادیر حداقل و حداکثر به ندرت یافت مبشوند.میانگین سرعت در کارستهای توسعه یافته 5 سانتی متر بر ثانیه است.
انواع تغذیه کارست:
1)تغذیه پراکنده
2)تغذیه نقطه ای
3)تغذیه مختلط
شرایط هیدرودینامیکی دره های کارستی
مجاری کارستی در اثر افزایش قطرشان مقاومت کمتری در مقابل جریان آب نشان میدهند.مجاری زیرزمینی اشکال متغیری دارند.این مجاری در مناطق به شدت تکتونیزه و دارای شکستگی های متمرکز ممکن است در امتداد شکستگی های غالب به رودخانه های زیرزمینی منفرد وتا حدودی پیوسته تبدیل شوند.میزان تخلیه این رودخانه های زیرزمینی میتواند به چندین متر مکب در روز ثانیه برسد.حداکثر آبدهی در چشمه کارستی دومانلی در ترکیه به میزان 100 متر مکعب در ثانیه دیده شده است.
عمق جریان آب نیز از دیگر ویژگیهای دره های کارستی است.عمق کارستی شدن تا حدود 1200 متری زیر بستر بعضی از رودخانه ها گزارش شده است.
سطح زهکشی آب زیرزمینی
عموماً آب زیرزمینی در کارست جریان می یابد تا خود را به سطح زهکشی یا تخلیه برساند.این جریان تنها تابع شیب توپوگرافی نیست و عوامل دیگری نیز بر روی آن مؤثر است از جمله ارتباط بین ساختمان هیدروژئولوژی و موقعیت آبخوان کارستی.
عموماًسطح زهکشی از شیب عمومی جهت حرکت آب زیرزمینی تبعیت میکند.