France Šušteršič Geologie krasu List 11 SPELEOGENETICKÝ PROSTOR STRUKTURNÍ VLASTNOSTI: MEZIVRSTEVNÍ SPÁRY A JINÉ SEDIMENTÁRNÍ TEXTURY Znamenají: změnu, poruchu, přerušení nebo něco cizího v sedimentaci, resp. diagenezi. Pozorování: Kanály vznikají u méně nežli 10% všech mezivrstevníh spár ve stratigrafickém sloupci. KLÍČOVÉ VLASTNOSTI SEDIMENTÁRNÍCH TEXTUR Hypotéza 1: MAJÍ VLIV NA ROZVOJ KANÁLU 1. Rozmístění mezivrstevních spár 2. mezery mezi mezivrstevními spárami 3. Tvar vrstvy 4. Otevřenost 5. Přítomnost jílové látky Hypotéza 2: MAJÍ VLIV NA ZAHÁJENÍ PROCESU 1. Činnost při diagenezi 2. Přítomnost sulfidů v mezivrstevních spárách France Šušteršič Geologie krasu List 12 SPELEOGENETICKÝ PROSTOR STRUKTURNÍ VLASTNOSTI: ZLOMY A POKRYVNÉ STRUKTURY V horninové hmotě se objevují nesoudržnost a posun. Oblasti zlomových struktur a možnost vzniku krasových kanálů 1. Zevní zóna 1.1 zóna puklin velmi vhodná 1.2 porušená zóny vhodná 1.3 rozdrcená zóna nevhodná 2. zrcadlo výjimečně vhodná 3. vnitřní zóna 3.1 rozdrcená zóna nevhodná 3.2 mylonitová zóna bariéra, překážka 3.3 kataklastit výjimečně vhodná Pokryvné struktury Pokryvné struktury jsou asymetrické a méně prostudované. Převládají drcené horniny a mylonit. Zásadně znamenají překážku nebo jsou zcela nevhodné pro vznik krasových kanálů. Mezivrstevní pohyby v tomto případě nepočítáme k pokryvným strukturám. France Šušteršič Geologie krasu List 13 STRUKTURNÍ VLASTNOSTI Pukliny Vrstvy v hornině podél kterých není téměř žádná napěťová pevnost a nejsou přítomny sedimentární textury. Aktivují se pouze otevřené a spojené, nehledě na původ. 1. střižné 2. napnuté 3. výsledek vrásnění 4. relaxační Mezivrstevní pohyby 1. Poruchy v důsledku mezivrstevních pohybů. 2. Otevřenost mezivrstevních spár v souvislosti s mezivrstev-ními pohyby. Jiné struktury 1. Zasutí 2. Speleogenetické struktury France Šušteršič Geologie krasu List 14 LITOLOGICKÉ VLASTNOSTI ČISTOTA HORNINY Standardní tabulka: Kamenolom Lipica / Kras, Slovinsko CaCO[3] 97.9 - 98.7 % SiO[2] 0.007 % Fe[2]O[3] 0.05 % Al[2]O[3] 0.05 % S 0.05 % rozdíl 1.15 - 1.95 % Škocjanske jaskyňe, vápenec K[2] 99,99 % CaCO[3] Příklady ze světa: CaO MgO Fe, Al oxidy SiO[2] CO[2] Čistý kalcit 56,0 - - - 44,0 Čistý dolomit 30,4 21,9 - - 47,7 Vápenec Clarke (Æ 345) 42,6 7,9 0,5 5,2 41,6 Vápenec (Niggli) 54,26 0,1 0,8 1,7 42,6 Dolomit (Niggli) 29,0 16,7 3,1 8,4 41,7 Mramor (Clarke) 54,3 0,6 0,2 0,2 43,3 průměr karbonátů ve Vel. Británii (Æ 500) 40,6 4,5 2,5 14,0 35,6 Vápenec (Chobot, Moravský kras) 55,19 0,35 0,71 1,0 43,03 Wettersteinský vápenec 52,7-54,5 0,3-1,0 0,0-0,3 - 43,0-43,6 Dolomit, Gombasecká jaskyňa (SVK) 33,3 18,9 0,5 - 47,7 T dolomit, Budapest 34,0 19,0 0,2 - 46,8 Karbonský vápenec (Kerek) 54,20 0,60 - - 43,2 Hostler vápenec (Penn.) 37,2 8,6 1,6 8,1 43,0 Dolomit, Niagara 30,4 21,9 - - 47,7 Korálový vápenec, Bermudy 55,2 0,2 - 0,2 44,0 Slínovcový váp. (Niggli) 31,4 4,4 5,18 27,9 27,3 Křemitý váp. (Niggli) 34,3 1,3 1,0 34,5 26,8 Mramor “sivec” (Maked.) 27,22 20,7 0,8 - 43,9 Karbonatit (Vých. Afrika) 47,9 1,6 5,1 1,3 38,0 Sillimanitický kvarcit - 0,04 3,8 54,5 - France Šušteršič Geologie krasu List 15 LITOLOGICKÉ VLASTNOSTI ZRNITOST A STRUKTURA Standardní tabulka: Kamenolom Lipica m i k r i t až p e l o m i k r i t 1. Rozpustnost narůstá se zmenšováním zrn od sparitu k mikritu, u afanitových struktur zpátky klesá. 2. Více rozpustné jsou vápence s bioklasty. MECHANICKÁ PEVNOST Standardní tabulka: Kamenolom Lipica Suchá tlaková pevnost 2239 bar Srovnání: vápence 340 - 3450 bar mramory 460 - 2400 bar pískovce 120 - 2400 bar kvarcity 1500 - 6300 bar granity (žuly) 1600 - 3000 bar bazalty (čediče) 800 - 3600 bar France Šušteršič Geologie krasu List 16 LITOLOGICKÉ VLASTNOSTI POROZITA Standardní tabulka: Kamenolom Lipica hustota: porozita: smáčivost: 2,710 g . cm^-3 1,9 %^ 0,62 % Podle uzákoněných technických standardů Porozita, vápence / mikrity < 2 % srovnání: vápence / sparity 5 - 10 % křída 8. – 37 % primární dolomity 0,5. – 12,5 % mramory < 1 % pískovce 5 - 30 % kvarcity 0,8 % granity (žuly) 6 - 8 % Dolomitizace zvětšuje porozitu o 5 – 15 % DEFINICE sedimentologická Primární porozita: synsedimentární Sekundární porozita: syndiagenetická hydrogeologická Primární porozita: mezi zrny předkrasová puklinová Sekundární porozita: kanálová krasová Puklinová porozita zahrnuje mezivrstevní spáry a strukturní nespojitosti. France Šušteršič Geologie krasu List 17 ROZPUSTNOST KRASOVÝCH HORNIN GEOMORFNÍ VÝZNAM: Přechod horniny do přenosuschopné podoby, z pevné do kapalné fáze. 1. Krasové horniny jsou monominerální, proto byla dosud zkoumána rozpustnost jednotlivých minerálů. 2. Minerály krasových hornin se při normálních podmínkách rozpouštějí kongruentně. Disociační reakce některých krasových minerálů s kongruentním rozpouštěním ve vodě. gibbsit Al[2]0[3] . 2H[2]0 + H[2]0 = 2Al^3+ + 6H[2]0 křemen SiO[2] + 2H[2]O = Si(OH)[4] kalcit CaCO[3] = Ca^2+ + CO[3]^2- dolomit CaMg(CO[3])[2] = Ca^2+ + Mg^2+ + 2CO[3]^2- sádrovec CaSO[4 ]. 2H[2]O = Ca^2+ + SO[4]^2- + 2H[2]O halit NaCl = Na^+ + Cl^- Rozpustnost stejných minerálů při 25 ^0C a 1 baru tlaku. Rozpustnost při pH 7 [mg l^-1] Obsah v meteorické vodě [mg l^-1] gibbsit 0.001 nezjistitelný křemen 12 1 – 12 kalcit 100 - 500 10 - 300 dolomit 90 - 480 10 - 300 sádrovec 2 400 0 - 1 400 halit 360 000 50 - 10 000 France Šušteršič Geologie krasu List 18 ROZPOUŠTĚNÍ KRASOVÝCH HORNIN VE VODĚ ROZPUSTNÉ LÁTKY A CHEMICKÁ ROVNOVÁHA H[2]O VOLNÁ DISOCIACE: NaCl « Na^+ + Cl^- NEROVNOVÁŽNÁ DISOCIACE: H[2]O « H^+ + OH^-^ CaCO[3] « Ca^2+ + CO[3]^2- PŘÍTOMNOST VOLNÉHO PROTONU: Ca^2+ + CO[3]^2- + H^+ « Ca^2+ + HCO^3- Rychlost reakce souvisí s koncentrací reaktantů. Hromadění (nárůst) produktů urychluje zpětnou reakci, dokud není dosaženo dynamické roznováhy, kterou určují teplota, tlak a jiné podmínky. Změna kterékoliv podmínky vyvolá jednosměrnou reakci, která má za následek novou rovnováhu. ZÁKON O VLIVU KONCENTRACÍ (LAW OF MASS ACTION) aA + bB « cC + dD Konstatnta termodynamické rovnováhy (rozpustný produkt): Koncentraci reaktantů vyjadřujeme v (m) mollech na litr. Možné výsledky: 1. Roztok není nasycen: Reakce probíhá směrem k rozpouštění 2. Roztok je nasycen: Dynamická rovnováha 3. Roztok je přesycen: Reakce probíhá směrem ke krystalizaci France Šušteršič Geologie krasu List 19 ROZPOUŠTĚNÍ KRASOVÝCH HORNIN VODNÉ ROZTOKY A CHEMICKÁ ROVNOVÁHA AKTIVITA POZOROVÁNÍ: Počet prostých (potenciálně reaktivních) iontů, např. Ca[2]^+, přítomných ve vodném roztoku je trvale o něco menší nežli molární obsah stejných iontů v roztoku. Aktivita je díl volných iontů stejného druhu v roztoku. V karsologii zaměňujeme aktivitu s agresivitou, což ovšem není příliš korektní, neboť je aktivita definována absolutně, agresivita pak vzhledem k nějaké substanci. V daném případě je to zpravidla kalcit, výjimečně dolomit. BIKARBONÁTOVÉ VODY POZOROVÁNÍ: 1. Rozpustnost kalcitu a dolomitu s disociací v čisté, deionizované vodě je krajně nízká. 2. V přítomnosti H^+ jako diosociace čisté vody rozpustnost kalcitu sotva přesáhne rozpustnost křemene. 3. Rozpustnost karbonátů v přírodních vodách se skutečně zvětšuje kvůli hydrataci CO[2]. Vzniklá kyselina uhličitá disociuje a uvolňuje H^+. 4. Přítomnost jiných kyselin ve vodě znamená dodatečný H^+ a ještě dále zvyšuje rozpustnost. France Šušteršič Geologie krasu List 20 ROZPUSTNOST KRASOVÝCH HORNIN REAKCE ATMOSFÉRICKÉHO CO[2] CO[2] (plynný) ® CO[2] (ve vodě) CO[2] (ve vodě) + H[2]O ® H[2]CO[3]^0 (kyselina uhličitá) [H[2]CO[3]^0] K[CO2] = ¾¾¾¾¾¾ P[CO2] H[2 ]CO[3]^0 ® H^+ + HCO[3]^- [HCO[3]^- ] [H^+ ] K[1 ] = ¾¾¾¾¾¾¾ [H[2]CO[3]] HCO[3]^- « H^+ + CO[3]^2- [H^+ ] [CO[3]^2- ] K[2][ ] = ¾¾¾¾¾¾¾ [HCO[3 ]^-] Všechny přírodní vody vystavené volné atmosféře obsahují všechny ty různé druhy rozpuštěného anorganického oxidu uhličitého, bez ohledu na to, jsou-li v podloží karbonáty.