6 лет назад
Нету коментариев

Известняк известен тем, что эта порода часто содержит полости. Такие совершенно открытые пустоты представляют реальную опасность для стабильности земной поверхности. Когда слои породы, лежащие над полостью, обрушиваются, это вызывает проседание, обычно резкое — в противоположность медленной осадке, обусловленной проседанием пластичных отложений. С другой стороны, известняк обычно бывает очень прочным (его часто используют как строительный материал), и поэтому он способен образовывать своды даже над довольно большими пустотами (естественные полости могут иметь диаметр до 250 м). Кровля полости характеризуется тенденцией к частичному обрушению, пока не достигнет стабильной куполообразной формы. Большие камеры имеют ответвления и коридоры гораздо меньшего размера. Подземное обрушение даже в непрочных, сильнотрещиноватых известняках обычно происходит локализованно и в небольших масштабах.
Сочетание таких свойств, как прочность известняка, замедленность процессов растворения породы и ограниченный размер большинства полостей, делает обрушение их кровли сравнительно редким событием. В центральной части штата Флорида, где имеются обширные залежи известняка, несколько лет назад произошло обрушение полости. Внезапно, за одну ночь в открытой местности образовалась пропасть с отвесными стенами глубиной 30 м и диаметром около 34 м. Ее появление, вероятно, было обусловлено обрушением маломощной кровли над полостью довольно значительных размеров. Мел — тонкозернистая разновидность известняковых пород, обладающая малой прочностью. Мел подстилает обширные площади в южной Англии и северной Франции. Во Франции, недалеко от города Труа, в конце 60-х годов в результате обрушения меловых отложений образовался провал глубиной 15 м и диаметром 9 м.
Хотя большинство случаев обрушения известняков имело гораздо меньший масштаб, кавернозные породы представляют потенциальную опасность для построек. В 1956 г. в Пен-Парке города Бристоль (Англия) было предложено построить школу. В местных исторических документах упоминалось о большой пещере с вертикальным входом, который был закрыт веком раньше, после того как в нее свалился и разбился человек. Утверждалось, что кровля пещеры находится на глубине 6 м от поверхности земли. Вход был вскрыт, пещера тщательно осмотрена, и в результате этого обследования решено было выбрать другое место постройки. Известняк — не единственная порода, содержащая полости. Гипс и каменная соль, как уже отмечалось, тоже могут быть кавернозными, однако они менее прочны и быстрее растворяются, поэтому процесс проседания идет здесь по-иному. Обрушение же в базальтовых лавах сравнимо с проседанием известняка. Лавовые потоки, извергаемые вулканом, состоят из расплавленной породы, которая охлаждается и затвердевает, причем быстрее в своей поверхностной части. В базальтовых лавах еще горячие нижние слои могут вытекать из-под затвердевшей корки, в результате чего образуются полости.
Отличительной чертой лавовых каверн является то, что они почти хусегда расположены близко от поверхности, а их маломощная кровля имеет тенденцию к обрушению. Это представляет очевидную опасность в местностях, где дороги и дома построены на вулканогенных отложениях, как, например, в районе Маунт-Худ в Вашингтоне (округ Колумбия) или во многих местах Исландии. В 1970 г. было обнаружено, что главная магистраль, проходящая южнее Рейкьявика, пересекает лавовую пещеру Рау-фархолсхеллир. Непрочный базальтовый покров мощностью не более 4 м перекрывает одно из ответвлений пещеры и фактически поддерживает дорогу. Возможность обрушения очевидна, хотя неизвестно, случится ли оно наследующий год или же через Шлет. Сейчас ведут наблюдение за скоростью обрушения кровли, регулярно проверяя количество обломков, скапливающихся на дне пещеры. Этот способ оценки состояния трещиноватых пород, образующих арку над пещерой, нельзя признать удачным. Дорога же остается пока на своем прежнем месте.
Если обрушение твердых пород, перекрывающих полости, — ¦ явление довольно редкое, то проседание и обрушение мягких осадков, залегающих над кавернозными и ячеистыми известняками, случаются часто. Широко распространенные в мире известняковые отложения перекрываются обычно молодыми неконсолидированными осадками, чаще всего аллювием речного происхождения или ледниковой глиной. Оба эти типа осадков являются в основном полупроницаемыми, так что вода просачивается через них в залегающий ниже известняк. Там, где известняк трещиноватый, его растворение приводит к образованию в нем открытых щелей. Вода вымывает более мелкие частицы из перекрывающих осадков и уносит его вниз через эти щели; полости в известняке оказываются перекрытыми неустойчивым и несцементированным грубозернистым материалом. В конце концов этот материал обрушивается в полости в известняке и на земной поверхности образуется коническая впадина, называемая карстовой воронкой. Карстовые воронки могут появиться также в результате длительного растворения пород, в процессе которого поверхность известняка приобретает причудливую форму. Когда такая поверхность покрывается более поздними отложениями, под их гладким профилем могут скрываться ячейки и карманы, промытые в толще подстилающего известняка. Процесс выщелачивания способствует формированию депрессий проседания, которые часто сопровождаются обрушением карстовых воронок.
Долины проседания и карстовые воронки — обычное природное явление в местностях, где развиты известняки. Известняковые пещеры, лежащие ниже, зачастую имеют выход на земную поверхность. В 1944 г. на горе Айрбай-Фелл в Пеннинах обрушился 3-метровый слой валунной глины и в известняке открылась полость диаметром 7,5 м и глубиной 12 м с коридором. На плато Салем в штате Миссури при обрушении возникла пропасть, и хотя ее диаметр составлял 13 м, а глубина 20 м, вся она сформировалась в осадках, залегающих над известняком. В 1966 г. в толще Сикамор-Крик (тоже в Миссури), образовалась еще одна карстовая воронка. Ее глубина составляла 18 м, а диаметр 8 м. Двумя годами позже подобная пропасть, прорезавшая не только рыхлые приповерхностные отложения, но и сам известняк, разверзлась во время сильной бури в местечке Мэйнор-Фарм (Мен-дип-Хиллс). К счастью, ни один из этих четырех случаев непредсказуемого естественного обрушения не причинил никаких повреждений.
Для прогнозирования карстовых обрушений необходимо знать расположение соответствующих пещер. Там, где пещеры имеют открытые выходы, возможно их непосредственное исследование. Пещеры можно обнаружить также при помощи частой сети скважин, однако это чрезвычайно дорогостоящая операция. К сожалению, предсказать локализацию пещер, исходя из общих геологических соображений, обычно не удается. Были испробованы и дистанционные методы, но полученные результаты не дали однозначного ответа. Гравитационными методами можно обнаружить очень большие камеры либо погребенные карстовые воронки, однако уточнить детали при этом не удается. Сейсмические методы непригодны для четкого определения локализации пещеры, однако с их помощью можно проследить форму дна заполненных карстовых воронок. Электрическим зондированием можно успешно выявить зоны сильно трещиноватого известняка и даже точно указать положение отдельных коридоров пещеры, как это было сделано в Пен-Парке (Бристоль).
Обычная аэрофотосъемка имеет весьма ограниченное применение при установлении положения пещер и при поисках погребенных карстовых воронок, однако методами инфракрасной фотографии и микроволновой радиометрии (этот метод особенно эффективен) можно выявить колебания температуры грунта и изменения распределения воды, что в свою очередь бывает связано с конфигурацией пещеры. Итак, обнаружение пещер и предсказание обрушений — трудные задачи, и это вдвойне неприятно в наше время, когда обрушения участились вследствие нарушения природного равновесия деятельностью человека. Строительство дорог, земляные работы при возведении зданий, ирригация, откачка воды — все это вызывает изменения в характере движения природных вод, а толщи неконсолидированных осадков, перекрывающих кавернозные известняки, особенно чувствительны к такого рода изменениям.
В окрестностях города Бирмингем в штате Алабама залегает мощная толща доломитовых известняков, перекрытая глинами мощностью от 0,5 до 20 м, образовавшимися в результате эрозии верхней части известняковой толщи. Карстовые воронки в этом районе были почти неизвестны, пока в конце 50-х годов нашего века в результате дренажа двух карьеров не понизился местный уровень грунтовых вод. В 60-х годах произошли многочисленные обрушения. Были повреждены заводы, дороги, коммуникации. На одной из строек вскоре после закладки фундамента совершенно неожиданно образовалась карстовая воронка. Был также причинен ущерб железной дороге, а вдоль шоссе, соединяющего штат с соседними районами, появилось 150 карстовых воронок разного размера. Остановить бедствие можно было, только повысив уровень грунтовых вод (с последующим затоплением карьеров) или создав чрезвычайно дорогостоящую эффективную дренажную систему.
Еще более трагичный случай произошел с дорожным мостом у источников Тарпон-Спрингс в соседнем штате Флорида. Январской ночью 1969 г. под мостом образовалась карстовая воронка. Три опоры мЛста обрушились настолько быстро, что транспорт не успели остановить и один человек утонул. Невдалеке от источников Тарпон-Спрингс, на участке Вики-Вочи, в сентябре 1974 г. разверзлась карстовая воронка, поглотившая буровую вышку. И на этом участке глины покрывали трещиноватый известняк. Оказалось, что как только глубина бурения достигла 6 м, бур вошел в трещину, и неожиданный напор воды послужил началом обвала глины. Земля грохотала и трещала, и буровой бригаде пришлось спасаться бегством. Когда появилась воронка, вышка, смонтированная на грузовике, провалилась в нее; следом исчез и второй автомобиль, на котором были цистерна для воды, насосы и инструменты; в провал упало даже несколько сосен. За 10 мин оборудование стоимостью 100 000 долл. безвозвратно кануло в пропасть диаметром 45 м и глубиной 23 м, которая почти до краев заполнилась водой.
Долина Херши расположена в Аппалачах, в штате Пенсильвания. Она подстилается круто падающими ордовикскими известняками и ограничивается с боковых сторон сланцами и песчаниками. Большая часть известняка покрыта слоем неконсолидированных осадков и почвы мощностью около 18 м. Город Херши стоит на дне долины. Здесь же расположена большая фабрика по производству шоколада, местоположение которой частично обусловлено наличием мощных водных источников. В 3 км к северо-востоку велись подземные и вскрышные работы по добыче известняка. Когда в 1949 г. горные выработки углубились и было выкачано огромное количество воды, произошло сильное понижение уровня грунтовых вод, который до этого располагался на 9 м ниже днища долины. Результаты не замедлили сказаться. Колодцы пересохли, источники стали ослабевать и в конце концов тоже высохли. Реки иссякли, и за 5 месяцев в дне долины образовалось 100 карстовых воронок.
Большинство воронок представляло собой цилиндрические провалы диаметром от 1,5 до 6 м и глубиной около 8 м. Мосты, здания и дороги были разрушены или повреждены, хотя, к счастью, человеческих потерь не было. В основном карстовые воронки появились там, где уровень грунтовых вод упал на 15 м и более.
Поскольку одна из воронок росла в направлении фабрики, шоколадная корпорация Херши, осознавшая, что причиной всех бед является понижение зеркала грунтовых вод, начала нагнетать в скважины воду для восстановления прежнего уровня. Проседание удалось замедлить, но в ходе этих работ пришлось затопить шахты, иначе потребовались бы большие затраты. Поэтому в 1950 г. шоколадная компания и компания по добыче известняка оказались вовлеченными в сложную судебную тяжбу друг с другом. В результате стороны пришли к такому решению: в известняк вокруг горных выработок было проведено нагнетание цементного раствора, который создал гидроизоляцию и позволил продолжить добычу, тогда как вокруг шахт уровень грунтовых вод в долине оставался высоким. Это увенчалось полным успехом, и добыча продолжалась без образования карстовых воронок вплоть до 1953 г., когда горные выработки были куплены шоколадной компанией и затоплены.
Движение грунтовых вод всегда служит помехой при строительстве домов или дорог, сколь бы ни были эффективны дренажные сооружения. Подтверждение этого можно видеть на бесчисленных примерах. В августе 1910 г. три карстовые воронки диаметром более 15 м частично поглотили четыре здания в городе Стонтон (штат Виргиния). В течение 1950 г. на дорогах в центре города Бридженд в Уэльсе возникла серия провалов. В 1965 г. в городе Каслберри (штат Флорида) в результате образования карстовой воронки диаметром 24 м был разрушен один дом, а еще три повреждены. В январе 1964 г. после периода особо сильных дождей карстовая воронка глубиной 30 м разверзлась под домом в городе Фармингтон, штат Нью-Мексико; чтобы ее засыпать, понадобилось 300 грузовиков щебня. Все перечисленные случаи явились следствием обрушения осадков в трещины и полости, развитые в известняках; существование таких камер предсказать затруднительно.
Несколько отличается случай, происшедший в городе Акрон (штат Огайо) в 1969 г. Часть фундамента двухэтажного универсального магазина была установлена на мягкой глине и алевритах, заполнявших погребенную карстовую воронку. Эта воронка не обрушилась, однако глина настолько уплотнилась и осела, что здание, остальная часть которого стояла на твердом известняке, искривилось и упало; при этом 10 человек было ранено и один убит. Очевидно, при инженерно-геологических изысканиях перед сооружением магазина скважины бурили на недостаточно малых расстояниях друг от друга, поэтому карстовая воронка была пропущена. Впоследствии это здание было восстановлено, но уже на бетонном ростверке.
Из всех известных случаев проседания, вызванных воздействием человека на природу, самое крупное и самое трагическое произошло на золотых приисках в Южной Африке. Широкая долина Вандерфонтейн лежит в низине на востоке района Ранд (в окрестностях Иоганнесбурга). Ее поперечные размеры составляют 8—16 км. Добыча золота — одна из главных отраслей промышленности в районе Ранд. В настоящее время эти месторождения дают примерно 4/5 мировой добычи самородного золота, и самые богатые золотые прииски находятся в долине Вандерфонтейн. В долине вокруг приисков живет около 150 000 человек. Хотя первая горная выработка была пройдена здесь только в 1938 г., сейчас на приисках в Карлтонвилле достигнута рекордная глубина — 3,8 км.
Залежи золота встречаются здесь в маломощных пропластках кварцита и концентрируются в нижнедокембрийской осадочной серии Витватерсранд, представленной главным образом кварцитами и сланцами. Основные золотоносные рудные тела залегают на глубине 900 м. Они несогласно перекрываются верхнедокем-брийскими породами, которые начинаются маломощным горизонтом «кварцитов Блэк-Риф; выше залегает доломитовая толща мощностью до 1200 м, сложенная массивными доломитовыми известняками с прослоями кремнистых сланцев. Затем следуют сланцы серии Претория, кварциты и лавы. Все эти отложения падают на юг под углом 6—12 и выходят на поверхность, ориентируясь параллельно долине. Доломиты подстилают большую часть долины, породы серии Претория обнажаются южнее (на холмах), а кварциты Блэк-Риф наблюдаются севернее. Поверх всех^этих слоев залегают песчаники, сланцы и каменные угли серии Кару, которые большей частью эродированы и присутствуют в виде отдельных островков. Наиболее молодыми отложениями района являются разнообразные пески и галечники четвертичного возраста.
Доломиты редко выходят на поверхность, будучи перекрыты слоем неконсолидированных осадков, мощность которых редко бывает меньше 10 м, обычно она превышает 100 м, а местами составляет 150 м и более. Эти отложения представлены четвертичными песками и галечниками, а также продуктами выветривания пород серии Кару и доломитовой толщи, содержащими главным образом обломки кремнистых сланцев и сопутствующих им песчаников, глин и марганцевых окислов. Другой важной чертой геологического строения является наличие вертикальных сиенитовых даек мощностью 30–60 м, которые ориентированы в меридиональном направлении поперек долины.
С гидрогеологической точки зрения долина Вандерфонтейн представляется уникальной. Поверхностный сток направлен на запад, однако доломиты являются чрезвычайно проницаемыми водоносными горизонтами и определяют интенсивное движение грунтовых вод. Кососекущие сиенитовые дайки разбивают доломитовую толщу на независимые в гидрогеологическом отношении блоки. Грунтовые воды накапливаются внутри каждого из этих блоков и выходят на земную поверхность вдоль границ даек в виде источников, называемых в этой местности «глазками». Огромные количества воды, скапливающиеся в доломитах, постоянно затрудняли добычу золота из подстилающих толщ. В течение многих лет в рудниках велись работы по откачке, чтобы поддерживать стабильный уровень поступающих вод. Но с 50-х годов перешли к полному обезвоживанию доломитов, т. е. к выкачиванию из них всей воды. Водонепроницаемость сиенитовых даек позволяет независимо обезвоживать каждый блок пород. За время этих работ произошли следующие события.
1955 г. — начато обезвоживание блока Вентерспост.
1957 г. — в блоке Вентерспост стали появляться карстовые воронки; за последующие 4 года их образовывалось все больше и больше.
1960 г. — начато обезвоживание блока Оберхольц; за короткое время родник Оберхольц пересох и начали появляться карстовые воронки.
1962 г. — образовалась воронка с вертикальными стенками диаметром 55 м и глубиной 30 м, поглотившая дробильную фабрику на прииске Уэст-Драй-фонтейн, что повлекло за собой 29 смертных случаев.
1963 г. — медленное проседание грунта на протяжении года привело к опусканию на 6 м дна карстовой воронки в Карлтонвилле, известной под названием «депрессия Шутте», что повлекло за собой полное разрушение одного дома.
1964 г. — среди ночи в деревне Бливооруитцихт разверзлась карстовая воронка диаметром 60 м и глубиной 30 м, в которую провалился жилой дом, при этом погибла семья из пяти человек; продолжающееся обрушение стенок провала уничтожило еще три дома.
1966 г. — самая большая карстовая воронка (диаметр 122 м, глубина 51,9 м) образовалась около города Карлтонвилль; жертв не было.
1967 г. — карстовая воронка появилась на школьной спортплощадке в городе Вестонария.
1968 г. — на прииск Уэст-Драйфонтейн внезапно хлынул поток воды, вырвавшийся из блока Банк.
1959 г. — начато обезвоживание блока Банк.
1972 г. — жители села Банк эвакуированы, а село брошено, поскольку возникло множество карстовых воронок и крупных трещин в грунте вдоль краев зон проседания.
В общей сложности за несколько лет образовались сотни карстовых воронок. Хотя в этом районе и отмечен ряд древних проявлений природных карстовых процессов, однако события последних лет ясно указывают на связь между формированием карстовых воронок и обезвоживанием приисков. В большинстве случаев обрушение непосредственно связано с понижением уровня грунтовых вод по мере откачки воды из шахт, а периодическое поступление в горные выработки илистых вод усиливало деформацию поверхности грунтов. Кроме образовавшихся естественным путем карстовых воронок, которые существовали до обезвоживания шахт, в долине Вандерфонтейн имеется еще четыре различных типа воронок.
Широкие и мелкие воронки, развивающиеся в течение нескольких лет, составляют первый тип. Примером этого типа является депрессия Шутте. Общее погружение грунта может достигать 6 м и более, но поскольку она происходит медленно, повреждения строений почти не бывает (исключение составляют дома на краю впадины, где имеется тенденция к образованию трещин). Этот тип проседания не затрагивает доломитовую толщу; он обусловлен только уплотнением глины и перекрывающих ее неконсолидированных осадков. Поэтому такое проседание обычно происходит там, где широкие и глубокие депрессии размещаются на поверхности раздела между погребенными осадками и известняком. Само уплотнение осадков обусловлено падением давления воды в связи с дренированием. Очевидно, при этом имеется некоторая связь с образованием трещин в доломитовой толще. Нет сомнения в том, что громадная карстовая воронка, появившаяся в 1966 г. в Карлтонвилле, расположена у края четко выраженной линейной депрессии.
Случаи крупного проседания грунта с последующим обрушением также связаны с формой поверхности раздела между доломитом и осадками. Эти опускания обусловлены вымыванием осадков вниз сквозь трещины в доломите, поскольку направленный вниз сток усиливается благодаря понижению уровня грунтовых вод. Когда нижние слои осадков вымываются, то верхние остаются в виде сводов над образовавшимися пустотами. Однако эти своды недолговечны. Именно их обрушение и дает карстовые воронки с вертикальными стенками. Небольшие воронки связаны с отдельными трещинами в доломите, а восемь огромных карстовых воронок, развившихся на площади блока Оберхольц, вероятно, образовались над погребенной поверхностью доломита, которая в результате эрозии приобрела значительные неровности рельефа. Эти большие карстовые воронки наблюдаются там, где глубокие узкие долины врезаются в погребенную поверхность известняковых пород. Они также могут образовываться вдоль склонов широких погребенных долин, как, например, это было в Карл-тонвилле. Такие карстовые воронки тоже связаны с падением уровня грунтовых вод; так, восемь больших воронок возникли вслед за понижением зеркала грунтовых вод на 150 м. Небольшие воронки этого типа образуются там, где уровень воды упал на 15 м и более.
Образование третьего типа карстовых воронок начинается с формирования воронки естественного происхождения, которая затем заполняется обломками горных пород. Повторное обрушение вызывается понижением уровня грунтовых вод. Такое двухфазное проседание может происходить во многих случаях. Оно проявляется при обрушении карстовых воронок с четвертичным заполнением в осадках Кару, которые, как ранее считалось, не имеют тенденции к образованию карстовых воронок в настоящее время. К этому же типу принадлежат провалы, возникшие на спортплощадке в Вестонарии. К несколько иному типу относятся небольшие карстовые воронки, появляющиеся вокруг домов и дорог вследствие дренирования, не связанного с обезвоживанием шахт.
Причины проседания в долине Вандерфонтейн были достаточно ясны, но тем не менее работы по обезвоживанию все-таки продолжались, будучи предприняты по экономическим соображениям, которые диктуются характером,’золотодобывающей промышленности. Со свойственной им привычкой оценивать события после их свершения компании, может быть, и пришли бы к заключению, что обезвоживание — не лучший путь. Однако поскольку эти работы были уже начаты, решили их продолжать, обходя районы, которые имеют наибольшую тенденцию к проседанию.
В начале 60-х годов была поставлена обширная геофизическая программа, имевшая целью предсказать возможность будущих обрушений. Однако в процессе выполнения этой программы пришли к выводу, что прямое прогнозирование появления карстовых воронок находится за пределами возможностей современных методов. Можно только в общих чертах оценить потенциальную опасность и руководствоваться этими данными при решении вопроса, какие районы скорее всего подвергнутся проседанию. Эта оценка должна основываться на анализе состава и мощности осадков и на сведениях о степени понижения уровня грунтовых вод. Если по наблюдениям в скважинах отмечается очень сильное падение уровня грунтовых вод, это переводит район в разряд потенциально опасных. Мощность осадков может быть оценена по комплексу данных бурения и гравитационной съемки. Станции гравитационных измерений в городах следует располагать через 15–60 м, а в открытой местности — через 90 м. Для контроля геофизических данных используют результаты бурения скважин, располагаемых на расстоянии около 1,6 км друг от друга.
Исследования в рассматриваемом районе дали некоторые положительные результаты, поскольку с их помощью удалось выявить участки, имевшие тенденцию к сильному проседанию. Однако чувствительность гравитационных измерений оказалась недостаточной для обнаружения малых структур, которые могут подвергнуться более слабым просадкам. Большие размеры карстовых воронок в долине Вандерфонтейн несколько облегчают предсказание их появления. Так, по данным гравитационных наблюдений предполагалось образование карстовых воронок в Вестонарии в 1967 г. Спортивный комплекс был объявлен опасным местом и закрыт еще до того времени, когда произошло обрушение. Таким образом, этот метод стал шагом вперед в прогнозе потенциальных обвалов грунта.
Когда в 1962 г. на прииске Уэст-Драйфонтейн провалилась дробильная фабрика, то явная опасность угрожала и новому заводу, строящемуся рядом. Пробуренные скважины обнаружили полость, и строительство было приостановлено до тех пор, пока она не была заполнена. Операция эта оказалась весьма дорогостоящей, однако она предотвратила потерю новых сооружений.