Karsologie Jiří Faimon rozsah 2/0 3 kredity Vývoj krasu C vert strukt kras Podle Williamse, 1983 Vývoj krasu Vertikální struktura: – epikras – vadózní (nesaturovaná) zóna – freatická (saturovaná) zóna Karsologie I Vertikální profil krasu Epikras Nejvyšší vrstva zkrasovělých hornin (poloha hornin mezi půdní bází a vadózní zónou). ─ systém puklin rozšířených rozpouštěním ─ od povrchu krasu níže k vadózní zóně ─ extrémní pórovitost (Drew, 1995). Tichá dohoda, Moravský kras Foto: M. Schwarzová Vlastnosti/rysy epikrasu • intenzívní zvětrávání karbonátů. – vznik štěrku/písku/prachu/jílu – vznik škrapů (pyramidy a prohloubeniny v hornině na povrchu) – sítě protínajících se kanálů, rozšířených puklin, dutin a otvorů – • zvýšená a rovnoměrněji vyvinutá porozita/propustnost • • Propustnost variuje v širokých mezích • • Deprese epikrasu částečně/úplně vyplněny sedimenty < 5% až > 95%. Tichá dohoda, Moravský kras Foto: M. Schwarzová Hydrologie epikrasu §Rychlost infiltrace většinou převyšuje rychlost odtoku (drenáže) § Báze epikrasu tvoří hydrologickou bariéru § Efekt úzkého hrdla - shromažďování infiltrační vody, vývoj lokální hladiny, vytvoření vysutého kolektoru (a perched epikarstic aquifer) § Epikras - zásobník krasové vody pro vadózní zónu SF = shaft flow (šachtový tok), WF = vadose flow (vadózní tok), WS = vadose seepage (vadózní prosakování) Klimchouk A. Speleogenesis and Evolution of Karst Aquifers. The Virtual Scientific Journal •koncentrování polutantů z bodových zdrojů na povrchu –Hydrologické procesy při bázi epikrasu distribuují polutanty do vadózní zóny. Důsledkem jsou pulzy v koncentracích polutantů ve vývěrech (Tyc 1996) •mocnost epikrasu je v rozmezí několika cm až do desítek metrů –Je ovlivněna •klimatem, •časem od posledního zalednění, •povahou a hloubkou cirkulace podzemní vody, •vlastnostmi podloží •vegetační historií dané lokality. –Intenzita vývoje epikrasu klesá s jeho rostoucí hloubkou. • •distribuce infiltrující vody do struktur vadózní zóny –mikroskopické trhliny –makroskopické pukliny –úzké šachty hydrol diagram mL_hour Hydrological classification of the dripwaters based on their mean discharge and variability PS - percolation stream, ShF - shaft flow, VF - vadose flow, ScF - subcutaneous flow, SpF - seepage flow. Based on Smart and Friedrich (1986) and Baker et al. (1997) Conduit flow Matrix flow Karsologie I Vývoj epikrasu v čase Epikras je výsledkem • rozpouštění • zvětrávání • uvolnění pnutí v horninách Epikras je dynamický systém - stále se vyvíjí! Karsologie I •Faktory ovlivňující vývoj epikrasu •složení, struktura a textura mateřských hornin, náchylnost k mechanickému rozpadu a rozpouštění •tektonická struktura: litostratigrafie, strukturních rysy, struktura puklin, horizontální a vertikální variabilita hornin •lokální topografie: odvodňování, drcení, pukliny •přítomnost a mocnost půdního profilu: Biogenní produkce CO2 a organických kyselin •klimatické vlivy: –(1) poměr fyzikáního a chemického zvětrávání –(2) rychlosti rozpouštění. –Chemické zvětrávání je nejintenzivnější v horkém a vlhkém tropickém klimatu. –Fyzikální zvětrávání dominuje v polárních a aridních oblastech. –Další faktory jsou srážky, teplota, vegetace a biologická aktivita. •mikroklimatické vlivy: lokální odlišnosti v půdách a vzorech epikrasu •tektonický režim: Rychlost zdvihu nebo pokles hornin, ovlivnění denudace a pnutí hornin •povaha denudačních procesů: rychlost vystavení podloží povrchovým podmínkám •čas vývoje Slabě vyvinutý epikras Vavřinecké vápence, Moravský kras Paradox: nestarší vápence Moravského krasu Význam primární predispozice hornin ke krasovění! Foto: M. Schwarzová Vavřinecké vápence, Moravský kras Foto: M. Schwarzová Karsologie I •Charakteristika epikrasu podle hydrologických kritérií •Zóny epikrasu lze rozdělit do tří hydrologických typů podle schopnosti shromažďovat vodu •rychle odvodňovaný epikras •sezónně saturovaný epikras •trvale saturovaný epikras •V mocnějších zónách epikrasu se mohou lokálně uplatnit více typů nebo všechny typy. Rychle odvodňovaný epikras se může vyskytovat v horních partiích, sezónně nebo trvale saturovaný epikras může být v nišších zónách epikrasu. Rychle odvodňovaný epikras vyznačuje se malým množstvím zón nasycených vodou, saturace nevydrží déle než několik hodin po intenzívních srážkách nebo po tání sněhu. Nízká zásoba vody. Dutiny v hornině jsou málo vyplněny jemnými sedimenty. Vody odtékají do vadózní zóny z mnoha míst na bázi epikrasu. Typické příklady: (1) alpské krasové oblasti (2) oblasti s vysokým topografickým reliéfem (3) oblasti s vysokou čistotou karbonátových hornin (nízké reziduum) a zanedbatelnými externími zdroji sedimentu Karsologie I •Sezónně saturovaný epikras •sezónní zásoba vody (po srážkovém období a tání sněhu) •Zásoby vody mohou vydržet týdny až měsíce •Dutiny jsou z části nebo téměř zcela vyplněny jemným sedimentem •Preferenční cesty odvodu vody, ne zcela vyplněné vodou • •Typické příklady: –(1) vlhké oblasti –(2) oblasti se středně zvlněným reliéfem –(3) oblasti s horninou poskytující dostatek rezidua pro vznik půd a sedimentů o dostatečné mocnosti Karsologie I •Trvale saturovaný epikras •většina zón epikrasu je trvale nasycena vodou. –(1) humidní oblasti –(2) oblasti s plochým reliéfem –(3) oblasti v úrovni hladin trvalých vodotečí –(4) všechny dutiny jsou vyplněny jemným sedimentem (Aley, 1997) Karsologie I •Vadózní zóna –Nesaturovaná zóna vodou. –Póry v hornině jsou zčásti vyplněny vzduchem. –Voda póry prosakuje díky gravitačním silám směrem k freatické zóně. –Převládající směry proudění ve shodě s gravitačním gradientem (vertikální). –Rychlosti... (?) –Doba zadržení týdny až roky (?) SF = shaft flow (šachtový tok), WF = vadose flow (vadózní tok), WS = vadose seepage (vadózní prosakování) Klimchouk A. Speleogenesis and Evolution of Karst Aquifers. The Virtual Scientific Journal Karsologie I •Freatická zóna •Saturovaná zóna vodou - zóna definovaná hladinou podzemní vody •Pod touto linií jsou všechny póry hornin zcela vyplněny vodou •Převládající směry proudění jsou laterární (horizontální) •Rychlosti v závislosti na hloubce! •Doba zadržení: –hodiny-dny-týdny při hladině (v závislosti na průtoku) –roky až X0 let v hlubších partiích • Epifreatická zóna Karsologie I Foto: J. Štelcl Punkevní jeskyně, Moravský kras Punkva - vodní plavba Hladina podzemní vody Karsologie I Punkevní jeskyně, Moravský kras Punkva - výtok Foto: J. Štelcl Hladina podzemní vody Karsologie I •JESKYNĚ •Definice: Přírodní dutina v hornině spojená s povrchem, která je dostatečně velká, aby do ní mohl vstoupit člověk. Karsologie I Tři základní modely vzniku jeskyní •Vadózní (vznik ve vadózní zóně agresivními prosakujícími vodami, převažuje vertikální směr) •Mělce freatický (formovaný při hladině volně proudící podzemní vody, převládající horizontální směry) (watertable cave) •Hluboce freatický (vznik pod hladinou podzemní vody proudící pod hydrostatickým tlakem) (phreatic - and bathyphreatic caves) • Karsologie I •Konfliktní modely vývoje jeskyní z 50-tých let: –vadózní (A) –hluboce freatický (B) –mělce freatický (C) (Podle Ford, D.C. Perspectives in karst hydrogeology and cavern genesis. Bulletin d'Hydrogeologie, 16,9-29 1998, Universite de Neuchiltel Centre d'Hydroge ologie, Rue Emile-Argand 11, CH-2007 Neuchiltel). Karsologie I •Vadózní teorie •zdá se být logická –nenasycení vertikálně proudících vod –role CO2 •Řada jeskyní však leží/ležela pod hladinou podzemní vody • •Mělce freatická teorie (watertable cave theory) •Zdá se být logická –řada velkých jeskyní téměř vodorovný směr –nenasycení alochtonních vod (zdroj mimo kras) –mechanický vliv tekoucí vody (otěr hornin suspenzí) Karsologie I •Teorie hluboce freatických jeskyní •Malý pohyb •Voda rozpouštějící vápenec musí být nenasycená ke kalcitu!!! SIkalcit < 0 •Jaká je rovnovážná koncentrace? •V závislosti na obsahu CO2: –V 1 L vody v rovnováze s vnější atmosférou pCO2 = 10-3,5 se rozpustí kolem 6.10-4 molu , tj., 0,06 g kalcitu! –V 1 L vody v rovnováze s půdní atmosférou pCO2 = 10-1,5 se rozpustí kolem 3.10-3 molu , tj., 0,30 g kalcitu! •Jaká je dynamika? •V závislosti na velikosti mezifázového rozhraní - doba nutná k přiblížení do rovnováhy - řádově dny až týdny! •Voda v rovnováze kalcit nerozpouští, bez ohledu na dobu interakce! •Rychlost pohybu vody ve freatické zóně klesá a doba zadržení roste s hloubkou. Jak dochází k rozpouštění a vytvoření hluboce freatického systému? Určitý posun s objevem směšovací koroze… Převládající pohyb vody •po vrstevných rovinách (bedding planes) •po puklinách Podle Ford – Williams, 2007 Převládající směry vrstev a puklin Predispozice pro krasovění Foto: J. Štelcl Lesní lom, Moravský kras Karsologie I •Vznik vadózní a freatické jeskyně (2) •Zahlubování freatické jeskyně •vznik invazívní vadózní jeskyně (3) • Karsologie I •Čtyřfázový model: •Vadózní, hluboce freatický (bathyphreatic) i mělce freatický (water-table) mechanismus se mohou uplatňovat současně! •Degradace povrchu krasu, relativní výstup freatické zóny •Aktuální stav vývoje závisí na –hustotě, propustnosti, systému puklin –orientaci vrstev podloží –a hydraulickém gradientu (Podle Ford, D.C. Perspectives in karst hydrogeology and cavern genesis. Bulletin d'Hydrogeologie, 16,9-29 1998, Universite de Neuchiltel Centre d'Hydroge ologie, Rue Emile-Argand 11, CH-2007 Neuchiltel). Karsologie I Karsologie I Karsologie I Systém Amatérské jeskyně, Moravský kras Punkevní jeskyně Sloupsko-Šošůvské jeskyně Karsologie I Hydrogeologické poměry Amatérské jeskyně, Moravský kras I. Balák Karsologie I Karsologie I Karsologie I Karsologie I Karsologie I