Khi đá vôi, đá đôlômit, đá phấn, đá macnơ, thạch cao, anhiđrit, muối mỏ và muối kali bị nước trên mặt và nước dưới đất hoà tan và rửa lũa thì trên mặt đất hình thành những phễu, những hố sụt cùng những dạng khác của địa hình, còn ở bên trong đất đó là những chỗ trống, khe rãnh và hang đủ kiểu loại. Người ta gọi tất cả những loại hình ở trên mặt và dưới đất được tạo nên bằng cách như vậy là karst.
Hiện tượng karst khá phổ biến trên thế giới và cả ở Việt Nam, biểu hiện những hình thái trên bề mặt và các hang động khác nhau về kích thước và hình dạng ở dưới sâu. Từ karst bắt nguồn từ tên gọi cao nguyên đá vôi Karst ở Nam Tư, ở đó hiện tượng karst rất phổ biến.
Trên bề mặt đá hòa tan tạo ra các rãnh, các khe, các hố lõm, độ sâu của chúng thường vài cm đến 1m, những hình dạng như vậy gọi là Carư. Ở chỗ giao nhau của khe nứt tạo ra các hố sâu thu nước, kết quả tạo ra các dạng hình giếng. Các kiểu như vậy gọi là động hút nước.
Hình dạng karst phổ biến hơn cả là phễu karst, chúng phát triển ở miền núi. Hình dạng lớn hơn là cánh đồng karst và lòng chảo karst.
Đối với những hình dạng karst dưới mặt đất, được nghiên cứu nhiều hơn cả là các hang động. Trong nhiều động tồn tại hồ nước ngầm nơi mà có nhiều sông chảy qua. Có rất nhiều hang động được UNESCO công nhận là di sản thiên nhiên thế giới:
+ Hang động Harrison thuộc hòn đảo Caribê là một trong những kì quan của thế giới vì vẻ đẹp tráng lệ của mình , với những thạch nhũ và măng đá được hình thành hàng ngàn năm trước . Đây là hang động duy nhất được hình thành do xói mòn của nước qua đá vôi, các hang ở đây có đầy đủ các hồ, suối và thác nước, hang
+ Động Eisriesenwelt. Động Eisriesenwelt là một hang động đá vôi tự nhiên nằm ở Werfen, Áo. Nằm trong dãy núi Tennengebirga gần Salzburg, động dài 42km và là hang động lớn nhất thế giới….
Hình 3.1. Hang động Harrison thuô ̣c hòn đảo Caribê [17]
+ Động Phong Nha - Kẻ Bàng là hang động lớn nhất và đẹp nhất ở Việt Nam và là di sản thế giới. Động Phong Nha dài 7.729 m, có 14 hang động. Động Phong Nha gồm sông ngầm phong phú, nhũ đá và măng đá....
Hình 3.2. Động Phong Nha - Kẻ Bàng [17]
Đối với công tác thiết kế nền và móng công trình thì các dạng ngầm karst (rãnh, đường thông thương, nhiều tầng hang...) có ý nghĩa đặc biệt, bởi vì cơ cấu hang ngầm rất phức tạp và cấu trúc bên trong của đá bị karst hoá cũng vậy. Có nhiều cách phân loại hang ngầm karst nhưng cách phân loại sau có ý nghĩa thực tế nhất đối với việc thiết kế nền móng công trình: Đó là hang karst sống và karst chết.
- Karst sống: đó là các hang hốc karst, rãnh, mạch ngầm... vẫn đang trong quá trình karst hoá, tức là vẫn có nước tích tụ hoặc lưu thông trong hang, rãnh, tiếp tục hoà tan đá để phát triển hệ thống hang, rãnh này. Biểu hiện là trong lòng hang có thể là mạch nước hoặc bùn sét, hữu cơ...
- Karst chết: đó là hệ thống hang, rãnh mương đã kết thúc quá trình karst hoá, biểu hiện là trong lòng hang, mương, rãnh... khô hoặc được nhét đầy đất, đá.
Karst phát sinh do tác dụng của nước mặt và nước dưới đất đối với các loại đá thực tế bị hòa tan. Tuy nhiên karst có thể không phát sinh hoặc diễn biến rất
Để quá trình ăn mòn karst phát triển phải có những nguyên nhân nhất định, gây ra sự phá vỡ cân bằng hóa học giữa nước tác dụng và đá bị hòa tan. Có những điều kiện mà lúc đó phát sinh sự phá vỡ cân bằng hóa học như thế và quá trình ăn mòn trở thành hiện thực. Nên gọi những điều kiện đo là những nguyên nhân thành tạo karst.
Định nghĩa khá đầy đủ về nguyên nhân thành tạo karst là do F.P. Xavarenxky nêu ra đầu tiên (năm 1933). Đ.X. Xôkôlôv đã phát triển những quan niệm của F.P. Xavarenxky (năm 1962) định nghĩa chính xác và đầy đủ nhất về điều kiện thành tạo karst mà hiện nay có thể nói được mọi người thừa nhận. Những điều kiện đó là: có đá bị hòa tan, khả năng thấm nước của đá, nước vận động và nước có khả năng hòa tan. Khi những điều kiện này phối hợp lại, sự cân bằng hóa học trong hệ đá bị hòa tan – nước bị phá vỡ, sự phát sinh, phát triển quá trình ăn mòn và thành tạo karst là điều không thể tránh khỏi. Nếu loại trừ một trong những điều kiện kể trên sẽ không còn nguyên nhân phát sinh quá trình ăn mòn, hoặc về sau có phát sinh chăng nữa thì cũng chấm dứt nhanh chóng. Chẳng hạn nếu đá là toàn khối không bị nứt nẻ, thì chỉ có thể xảy ra hòa tan và rửa lũa trên mặt chứ không thể thâm nhập xuống sâu. Nhưng trong thiên nhiên không hề có đá bị hòa tan “thuần khiết”. Cho nên trên mặt đá sẽ tích lũy lại cặn không hòa tan, thường là chất sét. Chính chất sét này ngăn cách đá tiếp xúc thêm với nước và làm cho quá trình hòa tan chấm dứt. Nếu nước không vận động, thì, do bị bão hòa bởi các thành phần hóa học khi hòa tan đá trực tiếp hoặc hòa tan khuếch tán, nước sẽ mất khả năng hòa tan; sẽ phát sinh sự cân bằng hóa học và quá trình karst sẽ không phát triển thêm. Do vậy để quá trình này phát triển cần phải có không những nước trong đá nứt nẻ, mà còn cả những điều kiện đảm bảo cho nó vận động và moi chuyển các sản phẩm hòa tan từ đá.
- Những điều kiện thúc đẩy karst:
Trong số những điều kiện hay thúc đẩy nhất sự thành tạo karst, phải kể đến khí hậu, địa hình khu vực, đặc điểm thạch học của đá bị karst, điều kiện thế nằm, mức độ nứt nẻ, đập vụn và phá hủy do những vận động kiến tạo, các vận động kiến tạo hiện đại và mới nhất là hoạt động xây dựng và kinh tế của con người.
+ Địa hình vùng núi, thì quá trình bóc mòn bao giờ cũng diễn ra mạnh mẽ hơn, tại đây các đá bị hòa tan thường hay lộ ngay trên mặt và nhanh chóng bị ăn mòn. Ở đồng bằng các đá bị karst hóa thường bị các hệ tầng đất xốp hoặc đất đá trẻ hơn phủ lên, cho nên các loại hình trên mặt của karst chủ yếu là các dạng hố sụt và hố lún.
Đồng bằng thường có địa hình ít bị chia cắt, được cấu tạo bởi các đất đá trầm tích bình thường. Tại đây nước dưới đất vận động chậm chạp, cho nên sự phát triển karst là không thuận lợi. Tuy nhiên ở các sườn thung lũng sông, ở các đới dỡ tải và giảm độ chặt của đất đá thì điều kiện vận động của nước dưới đất có dễ dàng hơn và là điều kiện thuận lợi cho karst phát triển.
+ Các đặc điểm thạch học của đá có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển karst. Trong các đặc điểm thạch học thì thành phần khoáng vật của đá, các tạp chất khác nhau trong đá (chất sét, dolomit, silic oxit)… có tầm quan trọng hàng đầu.
+ Điều kiện thế nằm, độ khe nứt và mức độ dập vỡ có ảnh hưởng căn bản đối với sự phát triển karst. Trong những đá bị che phủ, bị đất đá trẻ hơn ngăn cách từ trên mặt, thì karst phát triển yếu hoặc nói chung là không hình thành; Trái lại trong những đá lộ trần hoặc bị che phủ bởi đất đá xốp, thấm nước và bề dày bé thì karst phát triển dễ dàng hơn. Ở các đá xếp nghiêng hoặc dốc đứng thì karst phát triển xuống sâu. Độ khe nứt và mức độ dập vỡ của đá tạo nên hang hốc lớn, do vậy tạo điều kiện cho sự thâm nhập và sự vận động của nước dưới đất.
Trong các yếu tố địa chất, những vận động kiến tạo hiện đại và mới nhất cũng có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển karst. Những vận động nâng lên có tác dụng hỗ trỡ hoặc làm tăng mức độ tương phản của địa hình, độ dốc lớn của bề mặt địa hình của mực nước dưới đất cùng vận động của chúng. Khi những điều kiện khác như nhau tất cả những biểu hiện đó làm tăng cường phát triển karst. Những vận động hạ thấp lãnh thổ thì không tạo ra những điều kiện thuận lợi cho sự phát triển karst.
Việc xây dựng các công trình thủy lợi dâng nước, việc bơm hút nước ồ ạt ra khỏi lòng đất, xả nước sản xuất có tính ăn mòn vào trong tầng đá, cùng nhiều hoạt động khác của con người, đều tạo ra những điều kiện thúc đẩy karst phát triển.