БЕЛЕЖКИ ВЪРХУ ОБРАЗУВАНЕТО НА СУФОЗИОНЕН „КАРСТ“ В АЛУВИАЛНИТЕ ТЕРАСНИ ЧАКЪЛИ ОТ ЮЖНИТЕ ОКРАЙНИНИ НА СОФИЙСКАТА КОТЛОВИНА

АНАСТАС ДЕМИРЕВ

Известия на Геологическия Институт, кн. VIII, София, 1959 г., стр. 189-198

В последните две десетилетия в резултат на широко разгърналите се хидрогеоложки изследвания (главно в СССР) карстовите явления [10] се свързаха с кръговрата на водата и преобразуванията в земната кора. С това карстификацията на сравнително разтворими скали получи много допирни точки с процеса на ерозията.

От тази гледна точка карстификацията на разтворимите варовити скали трябва се свърже с карстовата хидрогеология, т.е. нивото на подземните води в карстовите области играе същата роля както ерозионният базис на областите с неразтворими скали и повърхностна циркулация на водата.

Максимович и Голубева [7], като дават напоследък класификация на генетичните карстови фунии в басейна на р. Кама, отделят в хидродинамичната карстова зона на вертикална циркулация корозионен тип фунии в алувиални речни наноси, под които залягат коренни карстуващи се скали. Образуването на тези карстови фунии те обясняват със суфозионно изнасяне на фини частици от алувиалните наноси и отлагането им в пукнатините или понорите на отдолу лежащите окарстени скали.

В геоложката литература досега не е известно суфозионно явление на аерационната зона, тясно свързано с хидрогеоложките условия, колебателните движения или други някои фактори, в резултат на което в грубокластични материали да се формират карстови форми.

В следващите редове ще засегнем явлението на суфозионен „карст“ в алувиалните терасни чакъли на р. Искър, наблюдавано по южните окрайнини на Софийската котловина.

Районът с проявен суфозионен карст обхваща най-южната заравнена котловинна част, откъдето релефът постепенно се издига нагоре към ограждащия я от юг Витошки масив. Общо незначителният североизточен наклон на този район е към главната, дренираща котловината артерия – р. Искър. В тази си част котловината е изградена от плиоценски отложения, препокрити отгоре от кватернер, а към склоновете на Витоша се разкриват триаски и горнокредни седименти и андезити. В подножието част от тия скали и плиоценските отложения са препокрити от пролувиално-делувиални образувания (фиг. 1).

Алувият оформя грубокластичните материали на 25- и 18-метровите рис-вюрмски тераси на р. Искър. Това са едри чакъли със среден диаметър 5-15 см и с гравийно-песъчлив запълнител. В отделни места чакълите се преслояват от отделни пясъчни лещи с дебелина до 1,5 м. Процентът на чакълните късове достига до 50-60, а на запълнителя – 30-40 (фиг. 2). В състава на заоблените чакълни късове преобладават рилски гранити и гнайси (>60%), долнотриаски пясъчници (8-10%), зелени палеозойски шисти (~ 5%) и кварцити и пегматити (до 10%). Взетата средна проба от гравийно-песъчливия запълнител показва, че той е разнозърнест (U=5) и преобладава фракцията на средно- и дребнозърнестия пясък – фиг. 3 (1).

В участъка на проявения суфозионен „карст“ терасните материали се примесват с едрокъсови чакъли на пролувиалните конуси, в които преобладават късове от кварцити, пясъчници и андезити, свлечени от склоновете на Витошкия масив. Пясъчно-гравийният запълнител на тия алувиално-пролувиални чакъли е разнороден и слабо заглинен – U=15, фиг. 3 (2 и 3).

Алувиално-пролувиалните чакъли отгоре се препокриват от белезникава до жълта песъчлива глина със средна мощност до 3 м, а най-отгоре – от черноземен почвен слой, богат на хумус, който на това място достига максимална дебелина 1,5 м от повърхността (фиг. 4).

Като подложка на чакълите служат сивите до сивозелени финозърнести глинести пясъци и песъчливи глини от горния плиоценски хоризонт на Софийската котловина. В тях се срещат тънки (до 2 м) глинести прослойки и отделни лещи от чакъли с глинесто-песъчлив запълнител. Общата мощност на този хоризонт от направените сондажи (ЕПХ, 1954-55г.) не е установена (фиг. 4). Плиоценът афльорира на юг от проучвания участък или е прорязан от долината на Дървенишката река и Банишкото суходолие. Единствено разкритие на плиоцна във високата тераса се намира по на север в един от старите откоси на някогашна чакълна кариера (300 м южно от разклона на шосето Пловдив-Самоков). Пластовете на плиоцена са неиздържани в хоризонтално и вертикално направление и имат слаб наклон 5-10° на С-СИ. В най-горнатa си част силно сбитите глинести пясъци и песъчливи глини са водонепроницаеми в сравнение с покриващите ги водопропускливи терасни чакъли. Ето защо съществуват всички условия за формиране на потоци от грунтови води, описани за Софийската котловина от Хр. Антонов [1]. В разглеждания район тези потоци се дренират от спускащите се към басейна на р. Искър суходолия. Нивото на тия води се намира на много по-голяма от дълбочината на залягане на чакълите, т. е. в финозърнестите плиоценски пясъци (средно повече от 12 м). На това място е налице подруслов поток на широко разлатите суходолия, залягащ на около 3 м от дъното им. Например в кладенеца, изкопан в много голяма близост с Банишкото суходолие, водното ниво се установява на 1,8 м от повърхността. Това потвърждава дълбокото дрениране на грунтовите води от високите искърски тераси към водопропускливите чакъли на по-ниските ѝ тераси. Понастоящем пластови грунтови води за този участък се установяват в пропускливите пясъци на горно-плиоценския хоризонт [1]. Както ще се види по-долу, през плеистоценско време при други физико-палеогеографски условия грунтовите води във вид на отделни потоци са циркулирали в терасните чакъли на дебелина не повече от 2-3 м.

Суфозионните каверни, формирани във валунните чакъли, бяха открити на едно протижение от около 800 м при направата на дълбок изкоп за полагане на канал за фекални води. Тия каверни имат обикновено бъбрековидна форма с дължина 5-7 м, ширина 2-3 м и височина до 1-1,4 м (фиг. 5).

Както се вижда от схемата на фиг. 5, всяка каверна има ясно оформен свод от заклинени валуни и плоско дъно в средата с купчина валуни, обрушени от естествения свод. По периферията на дъното е отложена съвременна кора от тънконаслоен хумусно-черноземен и песъчлив материал (фиг. 6).

Материалът на тази съвременна кора е увлечен от отгоре лежащия черноземен и песъчливо-глинест слой по наличните пукнатини на изсъхване или микропорите от инфилтриралите се атмосферни води.

Обстоятелството, че всички каверни (на брой 7) се откриха на еднаква дълбочина (20-30см) под дъното на изкопа при слаб наклон към Банишкото суходолие (~ 2%), свидетелствува за едновръстното им образуване и обособяване в хоризонт на еднаква относителна кота от р. Искър. Следователно налице е възможността за тясна връзка между някогашното ниво на грунтовия поток и образувалите се каверни. Тяхното формиране не е станало по начина на карстификацията в разтворими скали, тъй като такива липсват. Наблюдаваното явление във валунните чакъли е дело на някогашно суфозионно действие на грунтовите води, вследствие на което са се получили каверни, подобни на ония при типичния карст. Това е основанието да го обазначим като суфозионен „карст“.

Необходими условия за неговото образуване са били:

1. Наличието на едрокъсови (валунни) чакъли с гравийно-песъчлив запълнител, всред които се срещат по-малки или по-големи лещи от еднородни пясъци. За подложка на тия грубокластични материали са послужили слабопроницаемите плиоценски глинести пясъци и песъчливи глини.

2. Грунтов поток при условие на силно колебание на водното ниво, вследствие на което величината на хидродинамичния натиск многократно се е изменяла, и то за продължителен период от време. Силата на този натиск за дълъг период е превишила силата на съпротивление на частиците от дребната фракция, поради което е възникнало суфозионно изнасяне на тия плаващи частици.

3. Определено съотношение на двете основни фракции – едната на заобления едрокъсов чакъл, а другата на гравийно-песъчливия запълнител и пясъчните лещи. Като изходим от средния диаметър на едрата фракция (Dcp = 15) и този на дребната фракция (d_cp= 3 mm), отношението им ще бъде > 20. Съотношението между образуваните пори в чакълите и диаметрите на изнасяните частици също така е повече от 2-3 и отговаря на условията за механична суфозия [9].

4. Благоприятни геоморфоложки елементи, предопределени от колебатлните движения и тектонските процеси. В района от южната окрайнина на Софийската котловина е създадена висока терасна заравненост, прорязана от широко разлати (повече от 100 м) и плитки (до 10м) суходолия с наклон на севроизток към р. Искър.

Интресен остава въпросът за механизма и времето на образуване на суфозионния карст в такива валунни чакъли. При възникване на механична суфозия важно е да се определи критичният градиент (Jkp) и критичната скорост (Vkp) на грунтовия поток, при които става изнасяне на дребната фракция. От редица автори са предложени теоретични и емпирични формули за определяне на тия величини, но болшинството от тях са приложими за дребнозърнести и прахови пясъци. Напоследък Истомина [4], като изхожда от формулата, предложена от Избаш (1993, 4) за определяне скоростта на суфозионното изнасяне на частици от дребнозърнести и едрозърнести пясъчно-гравийни седименти, експериментално потвърждава правилността на тази формула при предпоставката за заоблено-сферична форма на изнасяните частици.

Ако предположим, че пясъчно-гравийните частици от алувиалните чакъли и пясъчни лещи на разглеждания район са изнесени в плаващо състояние по механичен път под влияние главно на хидродинамичния натиск на филтрационния поток, би следвало силата на този натиск (P) да е равна или по-голяма от силата на задържане на частиците (Q) т. е. P ≥ Q. За изчисление на хидродинамичния натиск, при който проявилата се механична суфозия е предизвикала формирането на каверните, необходимо е да поясним от кои величини е повлиян той и какви са измененията им в палеохидрогеоложката обстановка.

На фиг. 7 е показана схема за промяна на ерозионнния базис в развитието на днешните суходолия и последователното изменение в напорния градиент на грунтовия поток, за да се прояви през това време механична суфозия.

Спускащите се от оградните планини оврази са преминали всички стадии в развитието си от преобладаваща дънна ерозия до стадия изключително на странична такава. Това развитие е било придружено с дрениране на грунтовия поток в терасните чакъли, при което вследствие стръмния характер на депресионната крива и максималния напорен градиент (0,04) в една тясна ивица покрай овразите е произтекло суфозионното изнасяне на частици от дребната фракция. Тази крива може да се възстанови, като се използуват данните за мощността на водоносните чакъли, коефициентът на филтрация и разстоянието от мястото на дрениране. Това става като се изчислят точки (у₁, у₂, у₃ . . . . . у_n) в равностоящи сечения (х₁, х₂ ,х₃ . . . . . х_n) и съответните стойности на напорния градиент, видно от табл. 1.

Тогава по формулите (4)

можем да определим възмжно ли е било изнасянето на гравийно-пясъчните частици и с какъв максимален диаметър. В приведените формули:

d – диаметър на изнасяните частици (в нашия случай се. – 3,1 мм);

u – действителна скорост на грунтовия поток в пороите.

Определя се по формулата u=v/n;

v – скорост на филтрацията. Определя се по формулата v=kJ;

n – пористост на пясъчните лещи (в нашия случай n ср.=0,35);

J – напорен градиент на потока (в нашия случай приемаме максималната му стойност 0,004, която отговаря на най-стръмната част от депресионната крива);

λ_s – специфично тегло на водата=1;

g – земно ускорение=9,8;

К_ф – коефициент на филтрация (по досегашни данни (1) приемаме за 0,35 м/денон.);

С – коефициент на съпротивление на частиците. Определя се по формулата.

Като приемем горните осреднени показатели и направим последователно изчисление за P и Q, ще получим:

От схемата на фиг. 7 и направените изчисления е ясно, че със суфозионното изнасяне на частиците (P_1,2,3>Q_1,2,3) напорният градиент постепенно е падал и стръмният участък на депресионната крива постепенно се е измествал навътре от дрениращата линия. По този начин се е осъществила механична суфозия на по-голямо от дрениращата линия разстояние и са се образували суфозионни каверни. За това е спомогнало и колебанието в нивото на грунтовия поток вследствие създавания подпор от буйните води през периода на следледниковите топли климати. Този процес е продължил до пълното изнасяне на материала от наличните в чакълите пясъчни лещи и обособяването на карстови каверни. Ако трябва да се датира, възникването на каверните е започнало след отлагането на рис-вюрмските тераси, т. е. през средния и горния плеистоцен (преди около 15 000 години).

Суфозията трябва да се счита за преустановена, а с това и по-нататъшното развитие на каверните, от времето, когато за сметка на епирогенното издигане зоната на терасните материали от водонаситена преминава в аерационна. За епирогенните издигания по определени разломни линии в допир с котловината говорят и редица автори [2, 6, 12, 13].

Вероятно от началото на холоцена след обособяване на мощната аерационна зона започва отлагане в каверните на съвременна кора от хумусно-черноземен и песъчлив материал. Този материал е бил увличан от инфилтриращите се атмосферни води по макропори и пукнатини на отгоре лежащия слой от чернозем-смолница и пролувиална песъчлива глина. Отлагането на кората е във връзка с аерационното съществуване на зоната от терасните чакъли. 

Самият процес на отлагане е продължил също дълго време, но с прекъсване в зависимост от смяната на цикли от сухи и влажни години. От фиг. 6 е видно, че могат да се изброят до 10 седиментационни цикъла на инфилтриралите се атмосферни води, на които съответствуват слоеве от кората с дебелина от 1 мм до 2-3 см. Средният от слоевете е най-дебел (2-3 см), изграден от еднороден хумусно-черноземен материал. Неговото образуване съответствува на периода на почвообразувателния процес във връзка с възникването и образуването на чернозема-смолница. 

Процесът на отлагане на съвременната кора в сулфозионните карстови каверни е продължил и по-късно през историческо време, извършва се и понастоящем по дълбоки пукнатини на изсъхване (вж. фиг. 5). 

В заключение трябва да се изтъкне, че проявеният суфозионен „карст“ в южните окрайнини на Софийската котловина е едно рядко по рода си физико-геоложко явление. Това явление е от голямо значение и за инженерноложките изследвания във връзка с проектираните съоръжения. 

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов Хр. Хидроложки очерк на Софийската котловина. Год. на МГИ. Кн. 1, 1955.
2. Димитров Стр. Витошкият плутон. Год. на Соф. у-т, Физ.-мат. ф-т., Т. 38, кн. 3, 1935.
3. ЕХП – Доклад за инженерногеоложките условия на напоителния канал Панчарево-Павлово. Геофонд на ЕХП. 1955.
4. Истомина В. С. Разрушающие скорости фильтрации. Гидротехническое стр-во. № 10, 1948.
5. Коломенский Н. В. Инженерная геология. 2, Госгеолиздат, 1951.
6. Каменов Бл. и Ел. Коен. Бележки върху геологията на Софийския младотерциерен басейн. Год. на Гл. дир. за геол. и мин. проучв. 2, 1954.
7. Максимович А. Г. и Л. В. Голубева. Генетические типы карстовых воронок. ДАН СССР. Т. 87/4, 1952.
8. Приклонский В. А. Грунтоведение. Ч. 2, Госгеолиздат, 1952.
9. Попов И. В. Инженерная геология. Госгеолиздат, 1951.
10. Рыжиков Д. В. Природа карста и основные закономерности его развития. Тр. Горно-геологического и-та. Вып. 21, АН СССР, 1954, Уральский филиал.
11. Саваренский Ф. П. Инженерная геология. ОНТИ. 1939.
12. Jaranoff D. La peninsule Balkanique pendant le Quaternaire. Revue de la société géologique bulgare. T. XI, 1939.
13. Яранов Д. Морфология на задбалканските котловини. Сп. на Бълг. геол. д-во. 7, кн. 3, 1935.