Проседание и обрушение в кавернозных известняках

Известняк известен тем, что эта порода нередко содержит полости. Такие совсем открытые пустоты представляют реальную опасность для стабильности земной поверхности. Когда слои породы, лежащие над полостью, обрушиваются, это вызывает проседание, обычно резкое — в противоположность неспешной осадке, обусловленной проседанием пластичных отложений. С другой стороны, известняк обычно бывает очень крепким (его нередко употребляют как строительный материал), и потому он способен создавать своды даже над достаточно большенными пустотами (естественные полости могут иметь поперечник до 250 м). Кровля полости характеризуется тенденцией к частичному обрушению, пока не достигнет размеренной куполообразной формы. Огромные камеры имеют ответвления и коридоры еще наименьшего размера. Подземное обрушение даже в некрепких, сильнотрещиноватых известняках обычно происходит локализованно и в маленьких масштабах.

Сочетание таких параметров, как крепкость известняка, замедленность процессов растворения породы и ограниченный размер большинства полостей, делает обрушение их кровли сравнимо редчайшим событием. В центральной части штата Флорида, где имеются необъятные залежи известняка, пару лет вспять вышло обрушение полости. В один момент, за одну ночь в открытой местности образовалась пропасть с вертикальными стенками глубиной 30 м и поперечником около 34 м. Ее возникновение, возможно, было обосновано обрушением маломощной кровли над полостью достаточно значимых размеров. Мел — тонкозернистая разновидность известняковых пород, владеющая малой прочностью. Мел подстилает необъятные площади в южной Великобритании и северной Франции. Во Франции, неподалеку от городка Труа, в конце 60-х годов в итоге обрушения меловых отложений образовался провал глубиной 15 м и поперечником 9 м.

Хотя большая часть случаев обрушения известняков имело еще наименьший масштаб, кавернозные породы представляют потенциальную опасность для строений. В 1956 г. в Пен-Парке городка Бристоль (Великобритания) было предложено выстроить школу. В местных исторических документах упоминалось о большой пещере с вертикальным входом, который был закрыт веком ранее, после того как в нее упал и разбился человек. Утверждалось, что кровля пещеры находится на глубине 6 м от поверхности земли. Вход был вскрыт, пещера кропотливо осмотрена, и в итоге этого обследования решено было избрать другое место постройки. Известняк — не единственная порода, содержащая полости. Гипс и каменная соль, как ранее говорилось, тоже могут быть кавернозными, но они наименее высокопрочны и резвее растворяются, потому процесс проседания идет тут по-иному. Обрушение же в базальтовых лавах сопоставимо с проседанием известняка. Лавовые потоки, извергаемые вулканом, состоят из расплавленной породы, которая охлаждается и затвердевает, при этом резвее в собственной поверхностной части. В базальтовых лавах еще жаркие нижние слои могут вытекать из-под затвердевшей корки, в итоге чего образуются полости.

Отличительной чертой лавовых каверн будет то, что они практически хусегда размещены близко от поверхности, а их маломощная кровля имеет тенденцию к обрушению. Это представляет явную опасность в местностях, где дороги и дома построены на вулканогенных отложениях, как, к примеру, в районе Маунт-Худ в Вашингтоне (округ Колумбия) либо в почти всех местах Исландии. В 1970 г. было найдено, что основная магистраль, проходящая южнее Рейкьявика, пересекает лавовую пещеру Рау-фархолсхеллир. Некрепкий базальтовый покров мощностью менее 4 м перекрывает одно из ответвлений пещеры и практически поддерживает дорогу. Возможность обрушения явна, хотя непонятно, случится ли оно наследующий год либо же через Шлет. На данный момент ведут наблюдение за скоростью обрушения кровли, часто проверяя количество обломков, скапливающихся на деньке пещеры. Этот метод оценки состояния трещиноватых пород, образующих арку над пещерой, нельзя признать удачным. Дорога же остается пока на собственном прежнем месте.

Если обрушение жестких пород, перекрывающих полости, — ¦ явление достаточно редчайшее, то проседание и обрушение мягеньких осадков, залегающих над кавернозными и ячеистыми известняками, случаются нередко. Обширно всераспространенные в мире известняковые отложения перекрываются обычно юными неконсолидированными осадками, в большинстве случаев аллювием речного происхождения либо ледниковой глиной. Оба эти типа осадков являются в главном полупроницаемыми, так что вода проникает через их в залегающий ниже известняк. Там, где известняк трещиноватый, его растворение приводит к образованию в нем открытых щелей. Вода вымывает более маленькие частички из перекрывающих осадков и уносит его вниз через эти щели; полости в известняке оказываются перекрытыми неуравновешенным и несцементированным грубозернистым материалом. В конце концов этот материал обрушивается в полости в известняке и на земной поверхности появляется коническая впадина, именуемая карстовой воронкой. Карстовые воронки могут показаться также в итоге долгого растворения пород, в процессе которого поверхность известняка приобретает затейливую форму. Когда такая поверхность покрывается более поздними отложениями, под их гладким профилем могут прятаться ячейки и кармашки, промытые в толще подстилающего известняка. Процесс выщелачивания содействует формированию депрессий проседания, которые нередко сопровождаются обрушением карстовых воронок.

Равнины проседания и карстовые воронки — обыденное природное явление в местностях, где развиты известняки. Известняковые пещеры, лежащие ниже, часто имеют выход на земную поверхность. В 1944 г. на горе Айрбай-Фелл в Пеннинах обвалился 3-метровый слой валунной глины и в известняке открылась полость поперечником 7,5 м и глубиной 12 м с коридором. На плато Салем в штате Миссури при обрушении появилась пропасть, и хотя ее поперечник 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 поперечник 8 м. 2-мя годами позднее схожая пропасть, прорезавшая не только лишь рыхловатые приповерхностные отложения, да и сам известняк, разверзлась во время сильной бури в местечке Мэйнор-Фарм (Мен-дип-Хиллс). К счастью, ни один из этих 4 случаев непредсказуемого естественного обрушения не причинил никаких повреждений.

Для прогнозирования карстовых обрушений следует знать размещение соответственных пещер. Там, где пещеры имеют открытые выходы, может быть их конкретное исследование. Пещеры можно найти также с помощью нередкой сети скважин, но это очень дорогостоящая операция. К огорчению, предсказать локализацию пещер, исходя из общих геологических суждений, обычно не удается. Были испробованы и дистанционные способы, но приобретенные результаты не дали конкретного ответа. Гравитационными способами можно найти очень огромные камеры или погребенные карстовые воронки, но уточнить детали при всем этом не удается. Сейсмические способы неприменимы для точного определения локализации пещеры, но с помощью их можно проследить форму дна заполненных карстовых воронок. Электронным зондированием можно удачно выявить зоны очень трещиноватого известняка и даже точно указать положение отдельных коридоров пещеры, как это было изготовлено в Пен-Парке (Бристоль).

Рядовая аэрофотосъемка имеет очень ограниченное применение при установлении положения пещер и при поисках погребенных карстовых воронок, но способами инфракрасной фото и микроволновой радиометрии (этот способ в особенности эффективен) можно выявить колебания температуры грунта и конфигурации рассредотачивания воды, что в свою очередь бывает связано с конфигурацией пещеры. Итак, обнаружение пещер и пророчество обрушений — трудные задачки, и это вдвойне неприятно в наше время, когда обрушения участились вследствие нарушения природного равновесия деятельностью человека. Строительство дорог, земельные работы при строительстве построек, ирригация, откачка воды — все это вызывает конфигурации в нраве движения природных вод, а толщи неконсолидированных осадков, перекрывающих кавернозные известняки, в особенности чувствительны к такового рода изменениям.

В округах городка Бирмингем в штате Алабама залегает мощная толща доломитовых известняков, перекрытая глинами мощностью от 0,5 до 20 м, образовавшимися в итоге эрозии высшей части известняковой толщи. Карстовые воронки в этом районе были практически неопознаны, пока в конце 50-х годов нашего века в итоге дренажа 2-ух карьеров не понизился местный уровень грунтовых вод. В 60-х годах произошли бессчетные обрушения. Были повреждены фабрики, дороги, коммуникации. На одной из строек скоро после закладки фундамента совсем внезапно образовалась карстовая воронка. Был также причинен вред стальной дороге, а вдоль шоссе, соединяющего штат с примыкающими районами, появилось 150 карстовых воронок различного размера. Приостановить бедствие можно было, только повысив уровень грунтовых вод (с следующим затоплением карьеров) либо создав очень дорогостоящую эффективную дренажную систему.

Еще больше катастрофичный случай произошел с дорожным мостом у источников Тарпон-Спрингс в примыкающем штате Флорида. Январской ночкой 1969 г. под мостом образовалась карстовая воронка. Три опоры мЛста обвалились так стремительно, что транспорт не успели приостановить и один человек утоп. Невдали 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 глубина бурения достигнула 6 м, бур вошел в трещинку, и внезапный 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 пропал и 2-ой автомобиль, на котором были цистерна для воды, насосы и инструменты; в провал свалилось даже несколько сосен. За 10 мин оборудование ценой 100 000 долл. невозвратно кануло в пропасть поперечником 45 м и глубиной 23 м, которая практически до краев заполнилась водой.

Равнина Херши размещена 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 земли мощностью около 18 м. Город Херши стоит на деньке равнины. Тут же размещена большая фабрика по производству шоколада, положение которой отчасти обосновано наличием массивных аква 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 неограниченное количество воды, вышло сильное снижение уровня грунтовых вод, который ранее размещался на 9 м ниже днища равнины. Результаты не замедлили сказаться. Колодцы пересохли, источники стали слабеть и в конце концов тоже высохли. Реки иссякли, и за 5 месяцев в деньке равнины образовалось 100 карстовых воронок.

Большая часть воронок представляло собой цилиндрические провалы поперечником от 1,5 до 6 м и глубиной около 8 м. Мосты, строения и дороги были разрушены либо повреждены, хотя, к счастью, человечьих утрат не было. В главном карстовые воронки появились там, где уровень грунтовых вод свалился на 15 м и поболее.

Так как одна из воронок росла в направлении фабрики, шоколадная компания Херши, осознавшая, что предпосылкой всех бед является снижение зеркала грунтовых вод, начала нагнетать в скважины воду для восстановления прежнего уровня. Проседание удалось замедлить, но в процессе этих работ пришлось затопить шахты, по другому потребовались бы огромные издержки. Потому в 1950 г. шоколадная компания и компания по добыче известняка оказались вовлеченными в сложную судебную тяжбу вместе. В итоге стороны пришли к такому решению: в известняк вокруг горных выработок было проведено нагнетание цементного раствора, который сделал гидроизоляцию и дозволил продолжить добычу, тогда как вокруг шахт уровень грунтовых вод в равнине оставался высочайшим. Это увенчалось полным фуррором, и добыча длилась без образования карстовых воронок прямо до 1953 г., когда горные выработки были куплены шоколадной компанией и затоплены.

Движение грунтовых вод всегда служит помехой при строительстве домов либо дорог, сколь бы ни были эффективны дренажные сооружения. Доказательство этого можно созидать на бессчетных примерах. В августе 1910 г. три карстовые воронки поперечником более 15 м отчасти впитали четыре строения в городке Стонтон (штат Виргиния). В течение 1950 г. на дорогах в центре городка Бридженд в Уэльсе появилась серия провалов. В 1965 г. в городке Каслберри (штат Флорида) в итоге образования карстовой воронки поперечником 24 м был разрушен один дом, а еще три повреждены. В январе 1964 г. после периода особо сильных дождиков карстовая воронка глубиной 30 м разверзлась под домом в городке Фармингтон, штат Нью-Мексико; чтоб ее засыпать, пригодилось 300 грузовиков щебня. Все перечисленные случаи явились следствием обрушения осадков в трещинкы и полости, развитые в известняках; существование таких камер предсказать проблемно.

Несколько отличается случай, происшедший в городке Акрон (штат Огайо) в 1969 г. Часть фундамента двуэтажного универсального магазина была установлена на мягенькой глине и алевритах, заполнявших погребенную карстовую воронку. Эта воронка не обвалилась, но глина так уплотнилась и осела, что здание, остальная часть которого стояла на жестком известняке, скривилось и свалилось; при всем этом 10 человек было ранено и один убит. Разумеется, при инженерно-геологических изысканиях перед сооружением магазина скважины бурили на недостаточно малых расстояниях друг от друга, потому карстовая воронка была пропущена. Потом это здание было восстановлено, но уже на бетонном ростверке.

Из всех узнаваемых случаев проседания, вызванных воздействием человека на природу, самое большое и самое трагическое вышло на золотых приисках в Южной Африке. Широкая равнина Вандерфонтейн лежит в низине на востоке района Ранд (в округах Иоганнесбурга). Ее поперечные размеры составляют 8—16 км. Добыча золота — одна из основных отраслей индустрии в районе Ранд. В текущее время эти месторождения дают приблизительно 4/5 мировой добычи самородного золота, и самые богатые золотые прииски находятся в равнине Вандерфонтейн. В равнине вокруг приисков живет около 150 000 человек. Хотя 1-ая горная выработка была пройдена тут исключительно в 1938 г., на данный момент на приисках в Карлтонвилле достигнута рекордная глубина — 3,8 км.

Залежи золота встречаются тут в маломощных пропластках кварцита и концентрируются в нижнедокембрийской осадочной серии Витватерсранд, представленной приемущественно кварцитами и сланцами. Главные 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 громоздкими доломитовыми известняками с прослоями кремнистых сланцев. Потом следуют сланцы серии Претория, кварциты и лавы. Все эти отложения падают на юг под углом 6—12 и выходят на поверхность, ориентируясь параллельно равнине. Доломиты подстилают огромную часть равнины, породы серии Претория обнажаются южнее (на буграх), а кварциты Блэк-Риф наблюдаются севернее. Поверх всех^этих слоев залегают песчаники, сланцы и каменные угли серии Кару, которые большей частью эродированы и находятся в виде отдельных островков. Более юными отложениями района являются различные пески и галечники четвертичного возраста.

Доломиты изредка выходят на поверхность, будучи перекрыты слоем неконсолидированных осадков, мощность которых изредка бывает меньше 10 м, обычно она превосходит 100 м, а местами составляет 150 м и поболее. Эти отложения представлены четвертичными песками и галечниками, также продуктами выветривания пород серии Кару и доломитовой толщи, содержащими приемущественно осколки кремнистых сланцев и сопутствующих им песчаников, глин и марганцевых окислов. Другой принципиальной чертой геологического строения является наличие вертикальных сиенитовых даек мощностью 30–60 м, которые нацелены в меридиональном направлении поперек равнины.

С гидрогеологической точки зрения равнина Вандерфонтейн представляется уникальной. Поверхностный сток ориентирован на запад, но доломиты являются очень проницаемыми водоносными горизонтами и определяют насыщенное движение грунтовых вод. Кососекущие сиенитовые дайки разбивают доломитовую толщу на независящие в гидрогеологическом отношении блоки. Грунтовые воды скапливаются снутри каждого из этих блоков и выходят на земную поверхность вдоль границ даек в виде источников, именуемых в этой местности «глазками». Большие количества воды, скапливающиеся в доломитах, повсевременно затрудняли добычу золота из подстилающих толщ. В течение многих лет в рудниках велись работы по откачке, чтоб поддерживать размеренный уровень поступающих вод. Но с 50-х годов перебежали к полному обезвоживанию доломитов, т. е. к выкачиванию из их всей воды. Водонепроницаемость сиенитовых даек позволяет независимо обезвоживать каждый блок пород. За время этих работ произошли последующие действия.

1955 г. — начато обезвоживание блока Вентерспост.

1957 г. — в блоке Вентерспост стали появляться карстовые воронки; за следующие 4 года их создавалось все в большей и большей степени.

1960 г. — начато обезвоживание блока Оберхольц; за куцее время источник Оберхольц пересох и начали появляться карстовые воронки.

1962 г. — образовалась воронка с вертикальными стенами поперечником 55 м и глубиной 30 м, поглотившая дробильную фабрику на прииске Уэст-Драй-фонтейн, что повлекло за собой 29 смертных случаев.

1963 г. — неспешное проседание грунта в протяжении года привело к опусканию на 6 м дна карстовой воронки в Карлтонвилле, известной под заглавием «депрессия Шутте», что повлекло за собой полное разрушение 1-го дома.

1964 г. — посреди ночи в деревне Бливооруитцихт разверзлась карстовая воронка поперечником 60 м и глубиной 30 м, в которую провалился дом, при всем этом погибла семья из 5 человек; продолжающееся обрушение стен провала убило еще три дома.

1966 г. — наибольшая карстовая воронка (поперечник 122 м, глубина 51,9 м) образовалась около городка Карлтонвилль; жертв не было.

1967 г. — карстовая воронка появилась на школьной спортплощадке в городке Вестонария.

1968 г. — на прииск Уэст-Драйфонтейн в один момент хлынул поток воды, вырвавшийся из блока Банк.

1959 г. — начато обезвоживание блока Банк.

1972 г. — обитатели села Банк эвакуированы, а село брошено, так как появилось огромное количество карстовых воронок и больших трещинок в грунте вдоль краев зон проседания.

В общей трудности за пару лет образовались сотки карстовых воронок. Хотя в этом районе и отмечен ряд старых проявлений природных карстовых процессов, но действия последних лет ясно указывают на связь меж формированием карстовых воронок и обезвоживанием приисков. Почти всегда обрушение конкретно связано с снижением уровня грунтовых вод по мере откачки воды из шахт, а периодическое поступление в горные выработки илистых вод усиливало деформацию поверхности грунтов. Не считая образовавшихся естественным методом карстовых воронок, которые существовали до обезвоживания шахт, в равнине Вандерфонтейн имеется еще четыре разных типа воронок.

Широкие и маленькие воронки, развивающиеся в течение пары лет, составляют 1-ый тип. Примером этого типа является депрессия Шутте. Общее погружение грунта может достигать 6 м и поболее, но так как она происходит медлительно, повреждения строений практически не бывает (исключение составляют дома на краю впадины, где имеется тенденция к образованию трещинок). Этот тип проседания не затрагивает доломитовую толщу; он обоснован только уплотнением глины и перекрывающих ее неконсолидированных осадков. Потому такое проседание обычно происходит там, где широкие и глубочайшие депрессии располагаются на поверхности раздела меж погребенными осадками и известняком. Само уплотнение осадков обосновано падением давления воды в связи с дренированием. Разумеется, при всем этом имеется некая связь с образованием трещинок в доломитовой толще. Нет сомнения в том, что огромная карстовая воронка, показавшаяся в 1966 г. в Карлтонвилле, размещена у края верно выраженной линейной депрессии.

Случаи большого проседания грунта с следующим обрушением также связаны с формой поверхности раздела меж доломитом и осадками. Эти опускания обоснованы вымыванием осадков вниз через трещинкы в доломите, так как направленный вниз сток усиливается благодаря снижению уровня грунтовых вод. Когда нижние слои осадков вымываются, то верхние остаются в виде сводов над образовавшимися пустотами. Но эти своды недолговечны. Конкретно их обрушение и дает карстовые воронки с вертикальными стенами. Маленькие воронки связаны с отдельными трещинками в доломите, а восемь больших карстовых воронок, развившихся на площади блока Оберхольц, возможно, образовались над погребенной поверхностью доломита, которая в итоге эрозии заполучила значимые выпуклости рельефа. Эти огромные карстовые воронки наблюдаются там, где глубочайшие узенькие равнины врезаются в погребенную поверхность известняковых пород. Они также могут создаваться вдоль склонов широких погребенных долин, как, к примеру, это было в Карл-тонвилле. Такие карстовые воронки тоже связаны с падением уровня грунтовых вод; так, восемь огромных воронок появились прямо за снижением зеркала грунтовых вод на 150 м. Маленькие воронки этого типа образуются там, где уровень воды свалился на 15 м и поболее.

Образование третьего типа карстовых воронок начинается с формирования воронки естественного происхождения, которая потом заполняется осколками горных пород. Повторное обрушение вызывается снижением уровня грунтовых вод. Такое двухфазное проседание может происходить в почти всех случаях. Оно проявляется при обрушении карстовых воронок с четвертичным наполнением в осадках Кару, которые, как ранее числилось, не имеют тенденции к образованию карстовых воронок в текущее время. К этому же типу принадлежат провалы, возникшие на спортплощадке в Вестонарии. К несколько иному типу относятся маленькие карстовые воронки, появляющиеся вокруг домов и дорог вследствие дренирования, не связанного с обезвоживанием шахт.

Предпосылки проседания в равнине Вандерфонтейн были довольно ясны, но все же работы по обезвоживанию все-же длилось, будучи предприняты по экономическим суждениям, которые диктуются нравом,’золотодобывающей индустрии. Со характерной им привычкой оценивать действия после их свершения компании, может быть, и пришли бы к заключению, что обезвоживание — не наилучший путь. Но так как эти работы были уже начаты, решили их продолжать, обходя районы, которые имеют самую большую тенденцию к проседанию.

Сначала 60-х годов была поставлена широкая геофизическая программка, имевшая целью предсказать возможность будущих обрушений. Но в процессе выполнения этой программки сделали вывод, что прямое прогнозирование возникновения карстовых воронок находится за пределами способностей современных способов. Можно исключительно в общих чертах оценить потенциальную опасность и управляться этими данными при решении вопроса, какие районы вероятнее всего подвергнутся проседанию. Эта оценка должна основываться на анализе состава и мощности осадков и на сведениях о степени снижения уровня грунтовых вод. Если по наблюдениям в скважинах отмечается очень сильное падение уровня грунтовых вод, это переводит район в разряд потенциально небезопасных. Мощность осадков может быть оценена по комплексу данных бурения и гравитационной съемки. Станции гравитационных измерений в городках следует располагать через 15–60 м, а в открытой местности — через 90 м. Для контроля геофизических данных употребляют результаты бурения скважин, располагаемых на расстоянии около 1,6 км друг от друга.

Исследования в рассматриваемом районе дали некие положительные результаты, так как с помощью их удалось выявить участки, имевшие тенденцию к сильному проседанию. Но чувствительность гравитационных измерений оказалась недостаточной для обнаружения малых структур, которые могут подвергнуться более слабеньким просадкам. Огромные размеры карстовых воронок в равнине Вандерфонтейн несколько упрощают пророчество их возникновения. Так, по данным гравитационных наблюдений предполагалось образование карстовых воронок в Вестонарии в 1967 г. Спортивный комплекс был объявлен небезопасным местом и закрыт еще до тех пор, когда вышло обрушение. Таким макаром, этот способ стал шагом вперед в прогнозе возможных обвалов грунта.

Когда в 1962 г. на прииске Уэст-Драйфонтейн провалилась дробильная фабрика, то очевидная опасность грозила и новенькому заводу, строящемуся рядом. Пробуренные скважины нашли полость, и строительство было приостановлено до того времени, пока она не была заполнена. Операция эта оказалась очень дорогостоящей, но она предупредила утрату новых сооружений.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 48 | 0,172 сек. | 12.62 МБ