كارست

الكارست ( تُلفظ / kɑːrst / ) هو تضاريس تتشكل نتيجة ذوبان الصخور الكربوناتية القابلة للذوبان ، مثل الحجر الجيري والدولوميت . يتميز الكارست بوجود سهول مرتفعة في الأعلى وأنظمة تصريف تتضمن بالوعات وكهوفًا تحت الأرض. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وتشير بعض الأدلة إلى إمكانية تشكل الكارست في صخور أكثر مقاومة للتجوية ، مثل الكوارتزيت، في ظل ظروف مناسبة. ^{[ 3 ]}

قد يحدّ التصريف الجوفي من المياه السطحية، مع وجود عدد قليل من الأنهار أو البحيرات إن وُجدت. في المناطق التي تُغطى فيها الصخور الأساسية الذائبة (ربما بالحطام) أو تُحصر بطبقة أو أكثر من طبقات الصخور غير الذائبة المتراكبة، قد تظهر سمات الكارست المميزة فقط على مستويات تحت السطح، وقد تغيب تمامًا فوق سطح الأرض. ^{[ 4 ]}

تُعد دراسة الكارست القديم (الكارست المدفون في العمود الطبقي ) مهمة في جيولوجيا البترول لأن ما يصل إلى 50% من احتياطيات الهيدروكربونات في العالم موجودة في الصخور الكربوناتية ، ويوجد الكثير منها في أنظمة الكارست المسامية. ^{[ 5 ]}

استُعيرت كلمة "كارست" الإنجليزية من الكلمة الألمانية "كارست" في أواخر القرن التاسع عشر، ^{[ 6 ]} والتي دخلت الاستخدام الألماني قبل ذلك بكثير، ^{[ 7 ]} لوصف عدد من السمات الجيولوجية والجيومورفولوجية والهيدرولوجية الموجودة ضمن سلسلة جبال الألب الدينارية ، الممتدة من الركن الشمالي الشرقي لإيطاليا فوق مدينة ترييستي ، مرورًا بجنوب غرب سلوفينيا ، وشبه جزيرة البلقان على طول ساحل شرق البحر الأدرياتيكي وصولًا إلى كوسوفو ومقدونيا الشمالية ، حيث تبدأ كتلة جبال شار . تقع منطقة الكارست في أقصى شمال غرب هذه السلسلة، وقد وُصفت في الأبحاث الطبوغرافية المبكرة بأنها هضبة بين إيطاليا وسلوفينيا .

في اللغات السلافية الجنوبية المحلية ، تُشتق جميع صيغ الكلمة من أصل إيليري مُحَوَّر (مُنتجًا اللاتينية : carsus ، والدلماسية : carsus )، ثم جرى قلبها لاحقًا في اللغات السلافية من الصيغة المُعاد بناؤها * korsъ إلى صيغ مثل السلوفينية : kras ^{[ 8 ]} والصربية الكرواتية : krš ، kras [ ^{9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]، والتي} وُثِّقت لأول مرة في القرن الثامن عشر، والصيغة الصفية kraški في القرن السادس عشر. ^{[ 13 ]} أما كاسم علم، فقد وُثِّقت الصيغة السلوفينية Grast لأول مرة عام 1177. ^{[ 14 ]} وتشمل اللغات الحديثة التي تحتفظ بالصيغة غير المقلوبة (مع -ar- ) الإيطالية : Carso ، والألمانية : Karst ، والألبانية : karsti .

في نهاية المطاف، يعود أصل الكلمة إلى منطقة البحر الأبيض المتوسط . وقد اقتُرح أيضًا أن الكلمة قد تكون مشتقة من الجذر الهندو-أوروبي البدائي * karra- بمعنى "صخرة". ^{[ 15 ]} وقد يكون الاسم مرتبطًا أيضًا باسم المنطقة Kar(u)sádios oros الذي ذكره بطليموس ، وربما أيضًا بالاسم اللاتيني Carusardius . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

قدم يوهان فايكهارد فون فالفاسور ، وهو رائد في دراسة الكارست في سلوفينيا وزميل في الجمعية الملكية بلندن، كلمة كارست إلى العلماء الأوروبيين في عام 1689 لوصف ظاهرة التدفقات الجوفية للأنهار في وصفه لبحيرة سيركنيكا . ^{[ 16 ]}

أسهم يوفان تسفيتش إسهامًا كبيرًا في تطوير المعرفة بالمناطق الكارستية، حتى بات يُعرف بـ"أبو علم شكل الأرض الكارستية". تناول تسفيتش في كتابه "ظواهر الكارست" ( Das Karstphänomen) الصادر عام 1893، بشكل أساسي، المناطق الكارستية في البلقان، واصفًا أشكالًا أرضية مثل الكارن والدولين والبولجي . ^{[ 5 ]} وفي منشور له عام 1918، اقترح تسفيتش نموذجًا دوريًا لتطور المناظر الطبيعية الكارستية. ^{[ 5 ] [ 17 ]}

برز علم هيدرولوجيا الكارست كتخصص علمي في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن العشرين في فرنسا. في السابق، كانت أنشطة مستكشفي الكهوف، الذين يُطلق عليهم علماء الكهوف ، تُعتبر أقرب إلى الرياضة منها إلى العلم، ولذلك كانت كهوف الكارست الجوفية ومجاريها المائية المرتبطة بها، من منظور علمي، غير مدروسة بشكل كافٍ. ^{[ 18 ]}

تتطور الكارست بقوة في الصخور الكربوناتية الكثيفة ، مثل الحجر الجيري، ذات الطبقات الرقيقة والمتشققة بشدة . ولا تتطور الكارست عادةً بشكل جيد في الطباشير ، لأن الطباشير مسامي للغاية وليس كثيفًا، لذا لا يتركز تدفق المياه الجوفية على طول الشقوق. كما تتطور الكارست بقوة أكبر حيث يكون منسوب المياه الجوفية منخفضًا نسبيًا، كما هو الحال في المرتفعات ذات الوديان العميقة ، وحيث يكون هطول الأمطار متوسطًا إلى غزير. يساهم هذا في حركة المياه الجوفية السريعة إلى الأسفل، مما يعزز ذوبان الصخور الأساسية، بينما تتشبع المياه الجوفية الراكدة بالمعادن الكربوناتية وتتوقف عن إذابة الصخور الأساسية. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

كيمياء الذوبان

يتكون حمض الكربونيك، الذي يُسبب تضاريس الكارست، عندما تمر مياه الأمطار عبر الغلاف الجوي _للأرض حاملةً معها ثاني أكسيد الكربون ( CO₂ )، الذي يذوب بسهولة في الماء. وعندما تصل الأمطار إلى الأرض، قد تمر عبر التربة التي تُنتج المزيد من ثاني أكسيد الكربون _الناتج عن عملية تنفس التربة . يتفاعل جزء من ثاني أكسيد الكربون المذاب مع الماء لتكوين محلول ضعيف من حمض الكربونيك، الذي يُذيب كربونات الكالسيوم . ^{[ 21 ]} تسلسل التفاعلات الأساسي في ذوبان الحجر الجيري هو التالي: ^{[ 22 ]}

H₂O + _CO₂ → _H₂CO₃​​_​

CaCO ₃ + H ₂ CO ₃ → Ca ²⁺ + 2 HCO − 3

في حالات نادرة للغاية، قد يلعب الأكسدة دورًا. فقد لعبت الأكسدة دورًا رئيسيًا في تكوين كهف ليتشوجيلا القديم في ولاية نيو مكسيكو الأمريكية ^{[ 23 ]} ، وهي نشطة حاليًا في كهوف فراساسي في إيطاليا. ^{[ 24 ]}

يُعدّ تأكسد الكبريتيدات، الذي يؤدي إلى تكوين حمض الكبريتيك، أحد عوامل التآكل في تكوين الكارست. فعندما تتسرب المياه السطحية الغنية بالأكسجين إلى أنظمة الكارست العميقة الخالية من الأكسجين ، فإنها تجلب _معها الأكسجين الذي يتفاعل مع الكبريتيدات الموجودة في النظام ( البيريت أو كبريتيد الهيدروجين ) لتكوين حمض الكبريتيك ( H₂SO₄ ). ثم يتفاعل حمض _{الكبريتيك} مع كربونات الكالسيوم، مما يزيد من التعرية داخل تكوين الحجر الجيري. وهذه السلسلة من التفاعلات هي:

H ₂ S + 2 O ₂ → H ₂ SO ₄ (أكسدة الكبريتيد)

H ₂ SO ₄ + 2 H ₂ O → SO 2− 4 + 2 H ₃ O ⁺ (تفكك حمض الكبريتيك)

CaCO ₃ + 2 H ₃ O ⁺ → Ca ²⁺ + H ₂ CO ₃ + 2 H ₂ O (ذوبان كربونات الكالسيوم)

Ca ²⁺ + SO 2− 4 → CaSO ₄ (تكوين كبريتات الكالسيوم)

CaSO ₄ + 2 H ₂ O → [ CaSO ₄ · 2H ₂ O] (تكوين الجبس)

تُشكّل سلسلة التفاعلات هذه الجبس . ^{[ 25 ]}

قد ينتج عن تكوّن الكارست في منطقة ما مجموعة متنوعة من المعالم الكبيرة والصغيرة، سواء على السطح أو تحته. على الأسطح المكشوفة، قد تشمل المعالم الصغيرة الأخاديد الجيرية (أو الأخاديد الكارستية)، والجداول ، والأرصفة الجيرية (النتوءات والأخاديد)، والمنخفضات الجيرية التي تُعرف مجتمعة باسم الكارن أو اللابيز. أما المعالم السطحية متوسطة الحجم فقد تشمل البالوعات أو السينوتات (الأحواض المغلقة)، والآبار الرأسية، والفويب (بالوعات على شكل قمع مقلوب)، والجداول المختفية، والينابيع التي تعود للظهور .

قد تشمل المعالم واسعة النطاق أرصفة من الحجر الجيري ، وسهولًا صخرية ، وأودية كارستية. وقد ينتج عن المناظر الطبيعية الكارستية الناضجة، حيث تمت إزالة كمية أكبر من الصخور الأساسية مقارنةً بما تبقى، أبراج كارستية ، أو مناظر طبيعية تشبه أكوام القش أو صناديق البيض . وتحت السطح، قد تتشكل أنظمة تصريف جوفية معقدة (مثل طبقات المياه الجوفية الكارستية ) وأنظمة كهوف ومغارات واسعة النطاق. ^{[ 19 ]}

يؤدي التعرية على طول الشواطئ الجيرية، وخاصة في المناطق الاستوائية ، إلى تكوين تضاريس كارستية تتضمن سطح ماكاتيا حادًا فوق المدى الطبيعي للبحر، وتجاويف ناتجة في الغالب عن النشاط البيولوجي أو التعرية الحيوية عند مستوى سطح البحر المتوسط ​​أو أعلى منه بقليل . ^{[ 26 ]} ويمكن رؤية بعض من أكثر هذه التكوينات إثارة في خليج فانغ نغا في تايلاند وخليج هالونغ في فيتنام .

قد يترسب كربونات الكالسيوم المذاب في الماء عند خروج بعض ثاني أكسيد الكربون المذاب منه. وقد تُشكّل الأنهار المتدفقة من الينابيع مصاطب التوفا ، التي تتكون من طبقات من الكالسيت ترسبت على مدى فترات زمنية طويلة. أما في الكهوف، فتتشكل مجموعة متنوعة من التكوينات تُعرف مجتمعةً باسم الصواعد الكهفية، نتيجة ترسب كربونات الكالسيوم ومعادن أخرى مذابة.

كارست بين الطبقات

الكارست بين الطبقات هو نوع من التضاريس الكارستية التي تتشكل تحت غطاء من الصخور غير القابلة للذوبان. وعادةً ما يتضمن ذلك غطاءً من الحجر الرملي يعلو طبقات من الحجر الجيري التي تخضع للذوبان. ففي المملكة المتحدة، على سبيل المثال، تشكلت حقول واسعة من البالوعات في سيفن ير يستراد ، ومينيد لانغاتوغ ، ومينيد لانغينيدر في جنوب ويلز، عبر غطاء من حجر تورش الرملي الذي يعلو حجرًا جيريًا كربونيًا مخفيًا ، وقد أُعلن الموقع الأخير موقعًا ذا أهمية علمية خاصة فيما يتعلق به. ^{[ 27 ]}

تتميز التكوينات الكارستية بخصائص هيدرولوجية فريدة، مما ينتج عنه العديد من السمات غير المألوفة. وتحدث نافذة كارستية عندما يظهر مجرى مائي جوفي على السطح بين طبقات الصخور، ويتدفق لمسافة معينة، ثم يختفي عائدًا إلى الأسفل، غالبًا في حفرة انهيارية.

قد تختفي الأنهار في المناطق الكارستية تحت الأرض عدة مرات وتظهر مرة أخرى في أماكن مختلفة، حتى تحت اسم مختلف، مثل ليوبليانيكا ، "نهر الأسماء السبعة".

ومن الأمثلة الأخرى على ذلك نهر بوبو آجي في مقاطعة فريمونت، وايومنغ ، حيث يتدفق النهر في موقع يسمى "الأحواض" في منتزه سينكس كانيون الحكومي إلى كهف في تكوين يُعرف باسم حجر ماديسون الجيري، ثم يرتفع مرة أخرى 800 متر ( نصف ميل ) أسفل الوادي في بركة هادئة.  

البحيرة الموسمية هي نوع فريد من البحيرات الموسمية الموجودة في المناطق الكارستية الأيرلندية والتي تتشكل من خلال التدفق السنوي للمياه من نظام المياه الجوفية.

طبقات المياه الجوفية

تتشكل طبقات المياه الجوفية الكارستية عادةً في الحجر الجيري . تتسرب المياه السطحية المحتوية على حمض الكربونيك الطبيعي إلى شقوق صغيرة في الحجر الجيري. يعمل هذا الحمض على إذابة الحجر الجيري تدريجيًا، مما يؤدي إلى توسع الشقوق. تسمح الشقوق المتوسعة بدخول كمية أكبر من المياه، مما يؤدي إلى اتساع الفتحات تدريجيًا. تخزن الفتحات الصغيرة الوفيرة كمية كبيرة من المياه. تشكل الفتحات الأكبر نظامًا من القنوات التي تصرف المياه من طبقة المياه الجوفية إلى الينابيع. ^{[ 32 ]}

يتطلب توصيف طبقات المياه الجوفية الكارستية استكشافًا ميدانيًا لتحديد مواقع البالوعات، والجيوب ، والجداول الغائرة ، والينابيع ، بالإضافة إلى دراسة الخرائط الجيولوجية . ^{[ 33 ] : 4} إن الطرق الهيدروجيولوجية التقليدية، مثل اختبارات طبقات المياه الجوفية ورسم الخرائط البوتنسيومترية، غير كافية لتوصيف تعقيد طبقات المياه الجوفية الكارستية، وتحتاج إلى استكمالها بتتبع الصبغات ، وقياس تدفقات الينابيع، وتحليل التركيب الكيميائي للمياه. ^{[ 34 ]} وقد خلصت دراسة تتبع الصبغات التي أجرتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية إلى أن نماذج المياه الجوفية التقليدية التي تفترض توزيعًا منتظمًا للمسامية لا تنطبق على طبقات المياه الجوفية الكارستية. ^{[ 35 ]}

يتشكل التراصف الخطي للمعالم السطحية، مثل أجزاء الجداول المستقيمة والبالوعات، على طول مسارات التصدع . ويزيد تحديد موقع البئر في مسار تصدع أو تقاطع مسارات التصدع من احتمالية الحصول على إنتاجية جيدة من المياه. ^{[ 36 ]} قد تكون الفراغات في طبقات المياه الجوفية الكارستية كبيرة بما يكفي لإحداث انهيار مدمر أو هبوط في سطح الأرض، مما قد يؤدي إلى إطلاق كارثي للملوثات. ^{[ 37 ] : 3-4}

معدل تدفق المياه الجوفية في طبقات المياه الجوفية الكارستية أسرع بكثير من معدله في طبقات المياه الجوفية المسامية. فعلى سبيل المثال، في ينابيع بارتون ، ضمن طبقة إدواردز المائية ، قاس تتبع الصبغات معدلات تدفق المياه الجوفية الكارستية من 0.5 إلى 7 أميال في اليوم (0.8 إلى 11.3  كم/يوم). ^{[ 38 ]} يجعل معدل التدفق السريع للمياه الجوفية طبقات المياه الجوفية الكارستية أكثر حساسية لتلوث المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية المسامية. ^{[ 33 ] : 1}

كما أن المياه الجوفية في المناطق الكارستية تتلوث بسهولة مثل الجداول السطحية، لأن التكوينات الكارستية كهفية وذات نفاذية عالية، مما يؤدي إلى تقليل فرص ترشيح الملوثات.

قد تكون مياه الآبار غير آمنة أيضاً، إذ ربما تكون قد تدفقت دون عائق من حفرة في مرعى للماشية، متجاوزةً عملية الترشيح الطبيعية التي تحدث في طبقة المياه الجوفية المسامية . غالباً ما تُستخدم الحفر كمكبات للنفايات في المزارع أو المجتمعات. وقد تُفرغ خزانات الصرف الصحي الممتلئة أو المعطلة في المناطق الكارستية مياه الصرف الصحي الخام مباشرةً في قنوات تحت الأرض.

يشعر الجيولوجيون بالقلق إزاء هذه الآثار السلبية للنشاط البشري على هيدرولوجيا الكارست، والتي كانت، اعتبارًا من عام 2007^{[ 39 ]} وقد وفرت حوالي 25% من الطلب العالمي على مياه الشرب.

تُعدّ سهل نولاربور في أستراليا أكبر منطقة كارستية جيرية في العالم . وتُعتبر سلوفينيا المنطقة الأكثر عرضةً لخطر الانهيارات الأرضية، بينما تُصنّف منطقة هايلاند ريم الغربية في شرق الولايات المتحدة في المرتبة الثانية من حيث خطر الانهيارات الأرضية الكارستية. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

في كندا، تضم حديقة وود بافالو الوطنية في الأقاليم الشمالية الغربية مناطق من البالوعات الكارستية. ^{[ 43 ]} وتستضيف المكسيك مناطق كارستية هامة في شبه جزيرة يوكاتان وشياباس . ^{[ 44 ]} ويقع غرب أيرلندا منطقة بورين ، وهي منطقة كارستية من الحجر الجيري. أما كارست جنوب الصين في مقاطعات قويتشو وقوانغشي ويونان ، فهو موقع مدرج ضمن قائمة اليونسكو للتراث العالمي .

العديد من المصطلحات المتعلقة بالكرست مشتقة من لغات جنوب السلاف ، ودخلت المفردات العلمية من خلال الأبحاث المبكرة في منطقة الكارست الألبية الدينارية في غرب البلقان.

• أبيم ، وهو بئر عمودي في الكارست قد يكون عميقًا جدًا وعادة ما يفتح على شبكة من الممرات الجوفية
• سينوتي ، وهي حفرة عميقة، سمة مميزة للمكسيك، ناتجة عن انهيار طبقة من الحجر الجيري تكشف المياه الجوفية تحتها
• الدولين ، أو البالوعة، هي منخفض مغلق يصرف المياه تحت الأرض في المناطق الكارستية. كلمة دولين مشتقة من الكلمة السلافية الجنوبية دولينا التي تعني "وادي".
• فويبي ، وهي حفرة انهيارية على شكل قمع مقلوب
• نافذة كارست (المعروفة أيضًا باسم "نافذة كارست")، وهي سمة تظهر فيها نبع لفترة وجيزة، ثم يختفي تدفق المياه فجأة في حفرة قريبة.
• نبع كارستي ، وهو نبع ينبثق من منطقة كارستية، ويتسبب في تدفق المياه على السطح.
• الرصيف الجيري ، وهو شكل أرضي يتكون من سطح مسطح ومحفور من الحجر الجيري المكشوف يشبه الرصيف الاصطناعي.
• فقدان التيار ، أو النهر الغارق، أو ponornica في لغات جنوب السلاف.
• بوليه (karst polje، حقل كارستي)، سهل مسطح كبير، وتحديداً سهل كارستي. كلمة بوليه مشتقة من اللغات السلافية الجنوبية.
• بونور ، وهو نفس معنى إستافيل ، أي حوض أو حفرة انهيار أرضي في اللغات السلافية الجنوبية، حيث يدخل التدفق السطحي إلى نظام تحت الأرض
• سكاول ، منظر طبيعي كارستي مسامي غير منتظم في منطقة من إنجلترا.
• تورلوغ (turlach)، وهو نوع من البحيرات المختفية التي تميز منطقة الكارست الأيرلندية .
• أوفالا ، وهي مجموعة من عدة حفر صغيرة منفصلة تتحد لتشكل حفرة مركبة. المصطلح مشتق من اللغات السلافية الجنوبية.

يُطلق على دراسة مختلف جوانب المناطق الكارستية اسم دراسات الكارست، ^{[ 45 ]} أو علم الكارست، ^{[ 46 ]} أو علم الكارستولوجيا. ^{[ 47 ]} ويشمل ذلك العمليات البيولوجية والكيميائية والإيكولوجية والجيومورفولوجية والهيدروجيولوجية والهيدرولوجية والسياسية والاجتماعية والاقتصادية، وغيرها، على نطاقات مكانية وزمنية متنوعة في المناطق الكارستية، بهدف فهم طبقات المياه الجوفية والنظم البيئية الكارستية، وتطور البنية السطحية والجوفية، بما يُمكّن من حماية البيئة والتخطيط الفعال للأنشطة البشرية. ^{[ 48 ]} ومن أبرز الباحثين في مجال الكارست يوفان سفيجيتش وويليام موريس ديفيس .

• فورد، دي سي، ويليامز، بي، الهيدروجيولوجيا والجيومورفولوجيا الكارستية ، جون وايلي وأولاده المحدودة، 2007، رقم ISBN 978-0-470-84996-5
• جينينغز، جيه إن، علم شكل الأرض الكارستية ، الطبعة الثانية، بلاكويل، 1985، رقم ISBN 0-631-14032-8
• بالمر، أ.ن.، جيولوجيا الكهوف ، الطبعة الثانية، دار نشر كيف بوكس، 2009، رقم ISBN 978-0-939748-66-2
• سويتينغ، إم إم ، أشكال كارست الأرضية ، ماكميلان، 1973، رقم ISBN 0-231-03623-X
• van Beynen, P. (Ed.)، إدارة كارست ، سبرينغر، 2011، ISBN 978-94-007-1206-5
• فيرمولين، جيه جيه، ويتن، تي، "التنوع البيولوجي والممتلكات الثقافية في إدارة موارد الحجر الجيري في شرق آسيا: دروس من شرق آسيا"، البنك الدولي، 1999، ISBN 978-0-821345-08-5

• شبكة تكوين الكهوف، وهي منصة تواصل لأبحاث علم الكهوف الفيزيائي وعلم الكارست
• تكوين الكهوف والخزانات الجوفية الكارستية (مؤرشف بتاريخ 23 أبريل 2010 في أرشيف الإنترنت - معجم شامل للمصطلحات المتعلقة بالكارست)
• أكتا كارسولوجيكا – أوراق بحثية ومراجعات في جميع المجالات المتعلقة بالكهف.
• مواطنو كارست (CDK Citizens of the Karst) - منظمة غير ربحية مكرسة لحماية منطقة كارست في بورتوريكو (موقع باللغة الإنجليزية متاح)
• صفحة الكهف الافتراضي حول التضاريس الكارستية
• بوابة معلومات الكارست - مكتبة رقمية مفتوحة الوصول تربط العلماء والمديرين والمستكشفين