Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля
Геологические причины обрушения плотин обычно выявляются быстро, и если плотина выдерживает первое заполнение водохранилища, это означает, что она устоит и в дальнейшем. Однако это нельзя сказать о других сооружениях, где мы имеем дело с водой.
До 1818 г. Рейн в своем верхнем течении между городами Базель и Карлсруэ меандрировал по широкой пойме. В том году начали проводить мероприятия, направленные на регулирование течения этой реки; эти работы продолжаются и сейчас. Длина реки была сокращена, построили плотины, каналы, дамбы, благодаря чему Рейн превратился в транспортную артерию, каковой является и в настоящее время. Печальный результат всех этих работ, выполнявшихся различными организациями без взаимного согласования, заключается в том, что теперь у реки нет поймы и все паводковые волны, возникающие во время весеннего таяния снегов в альпийских водосборах, мгновенно проносятся вниз по течению.
Расположению города Карлсруэ в настоящее время не позавидуешь. В 1955 г. он сильно пострадал во время весенних паводков, но если бы то же самое произошло в Альпах в 1978 г., уровень наводнения из-за проведенных за эти годы на реке работ повысился бы на 35 %. Лучший способ избежать такой катастрофы — это воссоздать ту пойму, которая была у реки в 1818 г. В этих условиях паводковая вода будет растекаться по местности, а не устремляться единым потоком к городу Карлсруэ. Подобная схема уже существует на бумаге. Но будет ли она внедрена в практику? Или придется ждать того момента, когда в городе Карлсруэ произойдет еще одна катастрофа, — на этот раз уже не из-за реки, а по вине человека?
Проседание грунта
Это было в 1965 г. в городе Лексингтон, штат Кентукки. Около строительной площадки остановился грузовик и стал спускать цемент в форму для фундамента дома. Внезапно раздался глухой грохот, земля под цементовозом разверзлась, и он тут же провалился в зияющую дыру глубиной около 4 м. В Лексингтоне коренной породой является известняк, содержащий многочисленные полости. Обрушение кровли одной из них могло послужить причиной возникновения провала.
Проседание грунта может происходить многими разнообразными путями. Внезапному проседанию может подвергнуться очень небольшой участок, но и этого бывает достаточно для падения одной опоры здания. Иногда проседание грунта вызывает медленное опускание целых городов. Наиболее известным примером такого рода является Венеция. Хотя проседание грунта бывает и естественным процессом, оно также может быть и следствием человеческой деятельности; наиболее очевидный пример этого — обвалы в старых шахтах. Важно помнить, что большинство случаев проседания земли связано, хотя бы косвенно, с влиянием человека на естественную стабильность грунтов. Искусство строительства на сегодняшний день достигло таких успехов, что почти любая проблема может быть разрешена, если известна ее природа, но вопрос о проседании грунта представляет непреодолимую трудность.
Во многих случаях проседание затрагивает небольшие и вполне доступные для исследования площади. Однако предсказание такого процесса является трудной задачей. Естественные полости в грунте, например в известняках, чрезвычайно трудно обнаружить. Для этого необходимо проведение дорогостоящих работ, предусматривающих бурение скважин на очень малых расстояниях друг от друга. Региональное проседание, затрагивающее большие площади, предвидеть в общем легче. Сейчас технически возможно остановить опускание области, соизмеримой по площади с Венецией, но стоимость подобных работ необычайно высока.
Вероятно, единственный тип проседания, который не подчиняется контролю человека, — это образование изгибов геологических слоев, затрагивающих всю толщу земной коры. Это явление становится катастрофическим, если оно сопровождается землетрясениями. Обычно же подобные движения совершаются очень медленно, так что их результаты становятся заметными через сотни лет. Таким образом, проседание земли, за исключением последнего случая, — процесс, теоретически предсказуемый и контролируемый, однако добиться этого на практике значительно сложнее.
Проседание при растворении породИзвестняк, гипс и каменная соль в естественных условиях хорошо растворяются в воде. Из этих пород наибольшее распространение и наименьшую растворимость имеет известняк. Он отличается от гипса и каменной соли еще и тем, что в результате его подземного растворения образуются полости, которые обычно обладают очень устойчивой кровлей. Проседание и обрушение — для известняков явления распространенные и всегда связанные с полостями. Каменная соль, напротив, — порода гораздо более хрупкая и к тому же лучше растворимая; она часто подвергается проседанию, но это редко бывает связано с наличием полостей. Гипс по этим" свойствам занимает промежуточное положение между известняком и каменной солью.
Легко растворимый в воде сульфат кальция образует два минерала, которые формируют мощные толщи пород, — гипс и ангидрит. Наиболее распространенной — гидратной — формой является гипс, а ангидрит представляет собой менее представительную — безводную — форму. Эти минеральные вещества входят в состав толщ, занимающих большие территории в Соединенных Штатах Америки, Западной Европе, Советском Союзе. Проседание в этих толщах нередко бывает связано с растворением. Кроме того, ангидрит гв контакте с грунтовой водой образует гипс, что влечет за собой большое увеличение объема материала; в свою очередь это вызывает сильное поднятие поверхности земли.
В течение многих лет в северо-западном Техасе раздавались взрывы, причиной которых было сильнейшее поднятие, связанное с расширением ангидрита. Затем, в сентябре 1955 г., около города Новика взрыв возвестил о вертикальном поднятии на 5,5 м блока грунта с поперечными размерами в несколько сотен метров; обломки почвы и породы взлетели в воздух, осколком ударило человека, находившегося на расстоянии около километра от места взрыва.
Однако более распространенным типом движения земли, связанного с растворением гипса, является проседание. Знаменитые Бездонные Озера Розуэлл на краю долины Пекос в штате Нью-Мексико представляют собой серию обрывистых, заполненных водой структур обрушения, образовавшихся в доисторическое время вследствие растворения гипсовой коренной породы. Самая крупная из этих структур достигает сейчас в поперечнике 90 м и в глубину 40 м. Сходное, но более позднее происхождение имеют разнообразные карстовые воронки в гипсовых отложениях гор Кутеней в Британской Колумбии. В 1967 г. на дне гипсового карьера в Уиндермире за одну ночь образовалась шахта с вертикальными стенками диаметром 20 м; к счастью, никакого вреда она не нанесла.
В Европе гипсовые отложения наиболее широко распространены в северной части ФРГ. Городок Бад-Франкенхаузен — один из пострадавших от проседания: многие постройки, стоящие над теми местами, где подстилающий гипс был растворен, наклонены или повернуты. Париж является, вероятно, одним из самых больших городов, затронутых проседанием; на окраинах Парижа в коренной породе постоянно образуются полости, что создает проблемы для инженеров.
Хотя хлорид натрия (каменная соль) не так широко распространен, как гипс, он гораздо более известен в связи с проседанием, поскольку его растворимость гораздо выше и опускание происходит в больших масштабах. В феврале 1954 г. в Виндзоре (Канада) неожиданно в результате обрушения образовалась пропасть; она имела в поперечнике 90 м, глубину 8 м и быстро наполнилась водой. Был нанесен большой ущерб, полностью разрушено два здания. Причиной обрушения послужило растворение подстилающей толщи соли, хотя, возможно, этому способствовали также проводившаяся неподалеку откачка соляного раствора и обрушение старых глубоких выработок.
Неожиданное обрушение в селе Рундж (северная Индия) в 1970 г. совершенно не связано с деятельностью человека. 21 ноября в начале ночи жители этого села были разбужены оглушительным грохотом, их дома вибрировали. Выбежав на улицу, люди обнаружили, что в середине поля, которое еще накануне вечером было покрыто бамбуком, образовалась глубокая зияющая яма шириной около 18 м и глубиной 12 м. Дно ямы было заполнено слоем обломков, толщина которого оказалась достаточной, чтобы завалить по самые верхушки бамбуковые посадки высотой 15 м. Село было построено на вулканических лавах, под которыми на глубине около 100 м залегал соляной пласт. Грунтовые воды, просачиваясь через соль в течение многих лет, растворяли ее, что привело к образованию большой полости, кровлей которой служили перекрывающие лавы. Постепенно пласт за пластом слои вулканических образований падали в пустоту, в конце концов обруше- ч ние достигло земной поверхности и поглотило бамбуковые посадки. Возможно, обрушение в Рундже является предвестником более крупных опасностей в будущем. Во всяком случае, в Канаде есть данные о гораздо более грандиозных обрушениях в геологическом прошлом. Прерии в провинции Саскачеван подстилаются обширными отложениями соли. Основная толща мощностью 120–200 м залегает на глубине больше 1,5 км. Растворение соли естественно циркулирующей грунтовой водой вызвало локальное обрушение перекрывающих пластов. Озеро" Кратер в 160 км к северо-востоку от города Реджайначлежит во впадине, образовавшейся в результате такого обрушения. Оно имеет форму почти правильного круга диаметром более 200 м, глубина его в связи с накоплением осадков сейчас составля т всего 150 м. Вокруг озера прослеживаются цилиндрические разломы с вертикальным сдвигом примерно на 60 м. Распределение поверхностных осадков показывает, что это движение осуществлялось в^ течение различных ледниковых периодов примерно миллион лет назад.
