etymologia
Neven Kresic (Water in Karst, Mc Graw Hill, 2013, s. xiii)
”Karst on tieteellinen termi, joka on nimetty Slovenian ja Italian Triesten välisen maantieteellisen alueen mukaan. Se on saksankielinen sana ”carso” (italiaksi) ja” kras ” (sloveeniksi; kaikki kolme sanaa ovat peräisin indoeurooppalaisesta sanasta ” kar ” tai ”karra”, joka tarkoittaa kalliota…joistakin Karstialueen slaavilaisista kielistä on tullut kansainvälisiä tieteellisiä termejä, jotka kuvaavat Karstin piirteitä, pääasiassa serbialaisen geomorfologi Jovan Cvijićin ansiosta, joka ensimmäisenä puolusti väitöskirjaa ja julkaisi tieteellisen monografian yksinomaan karstille (Cvijić, 1893).”(Luvut 1,2)
Landscape
Derek Ford & Paul Williams (Karst Hydrogeology and Geomorphology, Wiley, 2007, s. 1)
”Karstin voidaan määritellä käsittävän maaston, jossa on erottuva hydrologia ja pinnanmuodostuma, joka syntyy korkean kiviliukoisuuden ja hyvin kehittyneen sekundaarisen (murtuman) huokoisuuden yhdistelmästä. Tällaisille alueille ovat ominaisia vajoavat purot, luolat, umpeen painuneet painaumat, uurretut kalliopaljastumat ja suuret lähteet. Pelkkä huomattava kiviliukoisuus ei riitä Karstin tuottamiseen. Myös kivirakenne ja litologia ovat tärkeitä: tiheä, massiivinen, puhdas ja karkeasti murtunut kiviä kehittää paras karst … kokemus osoittaa, että monet hydrogeologit virheellisesti olettaa, että jos Karstin pinnanmuodot puuttuvat tai eivät ole ilmeisiä pinnalla, niin pohjavesijärjestelmä ei ole karstinen. Tämä oletus voi johtaa vakaviin virheisiin pohjaveden hoidossa ja ympäristövaikutusten arvioinnissa, koska pohjaveden kierto voi kehittyä, vaikka pintakarstia ei ole havaittavissa.”
ominaisuudet
luettelo hajoamis-ja erosiaalisista karsstifikaatioprosesseista johtuvista karst-piirteistä on pitkä ja sisältää erilaisia mikro-ja makro-pinta-ja maanalaisia kohteita. Niiden joukossa ovat karrenit eli lapiot, doliinit eli vajoamat, uvalat, poljet, sokeat ja riippuvat laaksot, vajoavat purot, luolat (kuva 3), ponorit tai nieluaukot (Kuva 4), kuopat, luolat (kuva 5).
näiden ja monien muiden karstologiassa käytettyjen termien sanasto löytyy täältä (ylläpitäjä Alexander Klimchouk et al.)
Karst aquifers – luokitus
Zoran Stevanović (Karst Aquifers-Characterization and Engineering, Springer, 2015, p. 25-29, 49)
”sedimenttiset karstikivet voidaan yleensä luokitella kahteen pääryhmään:
- karbonaattikivet
- evaporiittikivet
karbonaattikivet muodostuvat kalsium-ja magnesiummineraaleista: kalsiitista, dolomiitista, aragoniitista ja magnesiitista, ja sisältävät kaksi pääryhmää:
- kalkkikivet (CaCO3) ja
- Dolomiitit (CaCO3 x MgCO3)
monenlaisia lajikkeita.
evaporiittiryhmään kuuluvat SO4-tai Cl-anioneja sisältävät kivet ja mineraalit:
- anhydriitti (CaSO4),
- kipsi (CaSO4 x 2H2O)
- haliitti (NaCl) ja
- sylviitti (KCl).
kalsiitin (1) dolomiitin (2) ja kipsin (3) liukeneminen ilmaistaan seuraavilla yhtälöillä:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3 (1)
CaMg(CO3)2 + 2H2O + 2CO2 ↔ Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3 (2)
CaSO4 x 2H2O → Ca2+ + SO4 2- + 2H2O (3)
According to the dominant type of rocks of which karstic aquifer consists the following classification can be made:
- Carbonate karst aquifer,
- Dolomitic karst aquifer,
- Marble karst aquifer,
- Chalky karst aquifer,
- Anhydritic karst aquifer,
- Gypsum karst aquifer,
- Halitic karst aquifer.
kun otetaan huomioon rakenteet ja hydrodynaamiset ominaisuudet, on olemassa:
- puhdistamaton karstinen akviferi (kuva 6),
- suljettu karstinen akviferi,
- Puolirajoitteinen karstinen akviferi.”
Karstin pohjavesiesiintymien Hydrogeologiset ominaisuudet
Nico Goldscheider (KC: n www-sivusto, 2009-2013)
”evoluutio: Karstivesimuodostumat muodostuvat hiilidioksidia (CO2) sisältävästä virtaavasta vedestä, joka liuottaa karbonaattikiviä. Siksi akviferin evoluution, luolien muodostumisen (speleogeneesin) ja pohjaveden virtauksen välillä on läheinen suhde.
yksilöllisyys: vaikka eri karstijärjestelmissä on paljon yhtäläisyyksiä, jokainen karstijärjestelmä on myös erikoistapaus ja yleistäminen vaikeaa. Kuvassa 7 esitetään yksinkertainen malli tyypillisestä karstivesistöstä.
heterogeenisuus: karstivesikerrosten Ominaisuudet vaihtelevat suuresti avaruudessa. Luolassa voi olla suuria määriä vettä, mutta muutaman metrin päässä oleva Porakaivo voi olla täysin kuiva.
anisotropia: Akviferin hydrauliset ominaisuudet riippuvat geologisten kangaselementtien suunnasta; esimerkiksi hydraulinen johtavuus on tyypillisesti suuri suurten murtumien ja johtimien suunnassa, mutta voi olla alhainen muissa suunnissa.
recharge: Recharge-vesi voi olla peräisin itse karstialueelta (autogenic recharge) tai viereisiltä ei-karstisilta alueilta (allogenic recharge).
tunkeutumisen kaksijakoisuus: tunkeutuminen tapahtuu maaperän ja tyydyttymättömän vyöhykkeen kautta (diffuusi tunkeutuminen), ja se voi myös tiivistyä nieluaukkojen/nielualtaiden kautta (pistesiirtymä).
huokoisuuden ja virtauksen kaksijakoisuus: Karstin pohjavesiesiintymissä on kaksi tai jopa kolme huokoisuustyyppiä: kivimatriisin rakeiden väliset huokoset, yhteiset kallioperän epäjatkuvuudet, kuten murtumat (halkeamat) ja kuiviketasot, ja solutyypillisesti laajentuneet tyhjiöt, kuten kanavat ja johtimet, jotka ovat kehittyneet alkuperäisestä epäjatkuvuudesta. Siinä missä pohjaveden virtaus matriisissa ja pienissä halkeamissa on tyypillisesti hidasta ja laminaarista, karstijohdoissa (luolissa) virtaus on usein nopeaa ja turbulenttista.
vaihtelu: Karstin pohjavesiesiintymien pohjavesi voi joskus vaihdella 10-tai jopa 100-metrisiä lyhyitä aikoja, ja karstilähteissä esiintyy tyypillisesti nopeita purkauksen ja veden laadun vaihteluita.”
Karst within the context of regional flow systems
by Judit Mádl-Szőnyi (White, 1969; Mádl-Szőnyi and Tóth 2015, Palmer 1991, 1995, Klimchouk 2000, 2007; Goldscheider et al. 2010)
Epigeeni karst: tämä on tulosta pohjaveteen tunkeutumisen syövyttävästä vaikutuksesta karbonaattisiin pohjavesiesiintymiin. Se voi kehittyä matalissa, periaatteessa fuusioimattomissa karbonaateissa ja liittyy kylmän veden liukenemisvaikutuksiin paikallisissa virtausjärjestelmissä. Nämä ovat tyypillisiä karstialueita, joilla on tyypillisiä pinta-ja pinnanalaisia piirteitä.
syvä karst: Karst, jossa se ulottuu huomattavan syvälle perustason alapuolelle.
Hypogeenikarstia: syvien energia -, neste-ja kaasulähteiden, mukaan lukien retrogradinen kalsiittiliukoisuus, ristiformaatiovirtauksen aiheuttama eri nesteiden aiheuttama sekoituskorroosio ja geogeenisten happojen aiheuttama liukeneminen. Se voi kehittyä syvällä ahtaissa karstialueilla, jotka liittyvät alueellisten tai välivirtausjärjestelmien haaleaan ja lämpöiseen veteen ilman merkittäviä pintaominaisuuksia.
Suositeltavat referenssit:
Goldscheider n, Mádl-Szőnyi J, Erőss A, Schill E (2010) Thermal water resources in carbonate rock aquifers. Hydrogeoli J 18 (6): 1303-1318
Klimchouk A (2007) Hypogene speleogenesis: hydrogeological and morphogenetic perspective. Erikoispaperi nro. 1, National Cave and Karst Research Institute, Carlsbad, NM
Mádl-Szőnyi J Tóth Á (2015) Basin-scale conceptual underwater flow model for an unconfined and limited thick carbonate region. Hydrogeoli J 23 (7): 1359-1380
Methods to study karst aquifer systems
by Nico Goldscheider (web site of KC, 2009-2013)
”edellä kuvattujen ominaisuuksien vuoksi perinteiset hydrologiset ja Hydrogeologiset menetelmät epäonnistuvat usein, kun niitä käytetään karstiin; siksi tarvitaan niiden mukautumista ja karstispesifisiä menetelmiä.
Geologiset menetelmät: Litologia, stratigrafia, murtumat, vikakuvio ja taitosrakenteet ovat ratkaisevia pohjaveden virtauksen ymmärtämisessä karstivesistöissä.
Speleologia: johtimet ja maanalaiset kanavat ovat ratkaisevia pohjaveden virtaukselle karstivesistöissä. Luolat mahdollistavat pääsyn pohjavesialueelle ja suoraan tarkkailemaan ja tutkimaan osaa kanavaverkosta.
hydrologiset menetelmät: vajoavien purojen, luolapurojen ja karstilähteiden virtaamien suuren vaihtelun vuoksi veden määrän ja laadun jatkuva seuranta on ratkaisevan tärkeää Karstin hydrogeologisissa tutkimuksissa.
Hydrauliset menetelmät: Potentiometrisiä karttoja ja porakaivojen ja kaivojen hydraulisia testejä sovelletaan laajalti hydrogeologiassa, mutta ne vaativat erityisiä mukautuksia, kun niitä käytetään karst: iin.
Isotooppitekniikat: stabiilien ja radioaktiivisten isotooppien avulla voidaan tunnistaa veden alkuperä, määrittää kauttakulkuajat ja luonnehtia sekoitusprosesseja.
Merkkiainetestit: Merkkiainetestit (Kuva 8) ovat tehokkain tapa tunnistaa pisteestä pisteeseen-yhteydet (tyypillisesti pääskyreikien/lavuaarien ja jousien välillä), rajata karstijousien katkokset sekä luonnehtia virtauksia ja kuljetuksia putkiverkoissa.
geofysikaaliset menetelmät: geofysiikan avulla voidaan tunnistaa kaivon porauspaikat, tutkia maanalaisia onteloita (mahdollisia vajoamia) ja saada muuta tietoa pohjavesirakenteesta.
mallinnus: matemaattiset mallit voivat auttaa ymmärtämään paremmin speleogeneesiä, virtausta ja kuljetusta karstivesistöissä. On kuitenkin esimerkkejä (esim. Kuva 9), joissa perinteisten pohjaveden virtausmallien soveltaminen karstiympäristöissä tuotti katastrofaalisen vääriä tuloksia ja johti räikeän puutteellisten lähdesuojavyöhykkeiden rajaamiseen, mikä johti taudin puhkeamiseen, koska Karstin erityisluonnetta ei otettu huomioon.”
Karst pohjaveden käyttö
Zoran Stevanović (Karst Aquifers – Characterization and Engineering, Springer, 2015, s. 111-112, 116-119, 299, 109-111)
vedenlaatu
” kivien liukeneminen ja suoran vesi – kalliokosketuksen kesto aiheuttavat purkukohdissa vaihtelevaa pohjaveden laatua. Karstivesien mineraalikomponentit riippuvat niiden kivien koostumuksesta, joiden läpi vesi suodattuu: Hiilivety (HCO3) – kalsium Ca) tyyppi vedet syntyy liukenemisesta kalsiumkarbonaatti, joka on hallitseva tyyppi veden kalkkikivi, kun taas hiilivety (HCO3) – magnesium (Mg) tyyppi pohjaveden esiintyy vähäisemmässä määrin, ja on säännöllisesti yhteydessä dolomiittisia kiviä.
Langmuir (Physical and chemical characteristics of carbonate water, 1984) luetteli prosesseja, jotka ohjaavat ja vaikuttavat pohjaveden laatuun ennen kuin se päätyy lähteelle tai kaivonpäähän. Nämä prosessit ovat seuraavat:
- ilmakehään tunkeutuneen Sademäärän koostumus;
- pohjaveden ja matalien pohjavesien aiheuttama Haihdutushäviö;
- pohjaveden happoisuus ja pinnan alenemisen aste;
- karbonaatin ja siihen liittyvien kivien, mukaan lukien haliitti, kipsi ja anhydriitti, saatavuus ja liukoisuus;
- määrät kiviliuoksen ja kosketusaika;
- hydrologiset prosessit, kuten laimentaminen makean veden latautumisella ja erilaisten pohjavesien sekoittaminen;
- ihmisen toiminnan aiheuttamat prosessit, mukaan lukien kiinteiden jätteiden ja suotovesien aiheuttama pohjaveden pilaantuminen.
on lähes sääntö, että pohjavesi avoimissa karstirakenteissa on vähän mineralisoitunutta, mikä on seurausta intensiivisestä vedenvaihdosta ja nopeasta suodattumisesta. Pohjavesialueen syvemmissä osissa hitaampi suodatus johtaa mineralisaation lisääntymiseen. Tämä vaihtelu on usein vähäistä, mutta osoittaa kuitenkin tiettyä eriytymistä, joka voi olla tärkeää tietyissä olosuhteissa (esim.saastumisen yhteydessä).
karbonaattikarstin tapauksessa luonnon karstivesien laatu on lähes määritelmän mukaan erinomainen: monin paikoin kautta maailman on vahvistettu, että vuorimassiivien asumattomilta valuma-alueilta virtaava vesi on puhdasta ja puhdasta, vaikka vain poikkeuksellisesti bakteereita voi esiintyä vain vähän. Mutta jos puhdistamattoman karstisen pohjavesialueen valuma-alueella on saastelähteitä, seurauksena on vakavia vaaroja.
karstivesien hyödyntäminen
pohjavesien hyödyntäminen ei ole koskaan helppoa suurelta osin siksi, että kyseessä on ”näkymätön luonnonvara”. Tilanne on kuitenkin vielä monimutkaisempi, kun on kyse ei-homogeenisesta ja anisotrooppisesta pohjavesimuodostumasta, kuten karst: sta: on hyvin usein välttämätöntä saavuttaa, pyydystää ja pyydystää pohjavettä, joka kiertää tyhjien alueiden tai muusta kivimassasta eristettyjen huokoisten lohkojen kautta.
voidaan erottaa Karstin kaksi pääasiallista pohjavesilajia:
- Karstisen pohjaveden virtauksen hyödyntäminen purkauskohdissa-Jouset (Kuva 10).
- Karstisen pohjaveden virtaama pohjavesialueella-keinotekoiset rakenteet, kuten kaivot, käytävät tai muut vastaavat rakenteet (Kuva 11).
pohjavettä ei käytetä ainoastaan sen hyödyntämiseksi juoma -, teollisuus -, lämmön talteenotto-tai kastelutarkoituksiin, vaan myös vedenpoistoon kaivoskuoppien, taajama-alueiden tai viljeltyjen maiden osalta, jotka olisi suojattava korkealta pohjavesimuodostumalta.
käyttö eri tarkoituksiin
karstilähteitä käytetään laajalti juomaveden lähteenä. Monet maat käyttävät karstisia lähteitä yksinkertaisesti siksi, että muita vaihtoehtoja ei ole, mutta monissa muissa maissa tietoisuus niiden merkityksestä ja niiden tarjoamasta hyvästä vedenlaadusta on tällaisen päätöksen tärkein tekijä. Karstiset pohjavesialueet muodostavat merkittävän osan seuraavien alueiden vesivarannosta: Kaakkois-Eurooppa (Alpit ja Karpaatit), Välimeren alue, Lähi-itä ja Lähi-Itä, Arabian niemimaa ja Afrikan sarvi, Kaakkois-Aasia, Pohjois-Afrikka, Karibian alue ja Keski-Amerikka sekä Yhdysvaltojen eteläosa.
pohjavesimuodostumien luonnollinen kuivatus lähteiden kautta voi kattaa vedentarpeen laajassa mitassa: aluetason toimituksista miljooniin kaupunkeihin ja paikallisista toimituksista vain yhteen tai useampaan taloon. Vaikka jälkimmäinen ei ole suuri ongelma vesimäärän suhteen, suurkuluttajalle vaaditaan erittäin suuri pohjavesialue ja lähdepäästö. Karstisilla vesillä on monenlaisia käyttötarkoituksia. Lähi-idän ja Lähi-idän kuivilla alueilla on esimerkiksi hyvin yleistä hyödyntää karstisia lähteitä ja rakentaa painovoimakanavia Peltomaan kasteluun. Lähdevettä käytetään laajalti myös eläinten kasteluun, ja hyvälaatuinen makea vesi turvaa eläinten terveyttä ja kasvua.
karstisten vesien käyttö vesivoiman tuotannossa korkeahydraulista päätä hyödyntäen rajoittuu lähinnä Alpeille (Itävalta, Sveitsi), kun taas karstisten vesien ja lähteiden lämpöominaisuuksia hyödynnetään muualla. Lopuksi, määrä karstic Jouset käytetään maailman veden pullotus teollisuus, joka toimii vuosittain tulot noin $13 miljardia on erittäin suuri ja karstic pohjavesiesiintymät luultavasti johtaa luetteloon pohjavesiesiintymien mistä tällaiset lähteet ovat peräisin”.
Recommended references for further reading:
Bakalowicz M (2005) Karst pohjavesi: haaste uusille resursseille. Hydrogeoli J, 13: 148-160
Bonacci O (1987) Karstihydrologia, jossa viitataan erityisesti Dinaariseen Karstiin. Springer-Verlag, Berliini, 184 s.
Burger A, Dubertret L (eds) (1984) Karstimaiden hydrogeologia. Tapauskertomuksia. International Contributions to Hydrogeology, IAH, vol 1, Verlag Heinz Heise, Hannover, 264 s.
Drew D, Hötzl H (1999) Karst hydrogeologia ja ihmisen toiminta. Vaikutukset, seuraukset ja seuraukset. Balkema, Rotterdam, 322 s.
Ford D, Williams P (2007) Karst hydrogeologia ja geomorfologia. Wiley, 576 s.
Goldscheider N, Drew D (Toim.) (2007) Methods in Karst Hydrogeology. Taylor & Francis, Lontoo, 264 s.
Käss W (1998) Tracing Technique in Geohydrology. Balkema, Rotterdam, 581 s.
Kresic N, Stevanović Z (Toim.) (2010) pohjaveden Hydrologia lähteissä. Engineering, Theory, Management and Sustainability. Elsevier Inc. BH, Amsterdam, 573 s.
Kresic N (2013) vesi Karst. Hallinta, haavoittuvuus ja palauttaminen. McGraw Hill, New York, 708 s.
Milanović P (2004)vesivarojen suunnittelu Karst. CRC Press, Boca Raton, FL, 312 s.
Palmer AN, Palmer MV, Sasowsky ID (toim.) (1999) Karst Modeling. Special Publication 5, Karst Water Institute, Charles Town, WV, 256 s.
Parise, M. & Gunn, J. (toim) 2007. Luonnon ja ihmisen toiminnan aiheuttamat vaarat Karstialueilla: tunnistaminen, analysointi ja lieventäminen. Geol. Soc. London, sp. publ., 279 s.
Stevanović Z (Toim.) (2015) Karst Aquifers – karakterisointi ja suunnittelu. Sarja: maan Tiedeammattilainen, Springer harjoittelija. Publ., 692 s.
White WB (1988) Karstien geomorfologia ja Hydrologia. Oxford University Press, New York, NY, 464 s.