Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля
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.
Обрушение и проседание над горными выработками
Обрушение выработок может быть бедственным вдвойне: для шахтеров, работающих под землей, и для людей и материальных ценностей на территории непосредственно над местом обрушения. Хотя обрушения кровли случаются часто и представляют огромную опасность, они очень редко достигают масштаба, достаточного для проседания земной поверхности. Тем не менее заброшенные шахты могут таить угрозу для строений и людей, находящихся над ними.
Обычно работу в шахтах ведут таким образом, чтобы некоторое количество породы оставалось в виде целиков для опоры кровли. Однако всегда существует искушение — перед тем как шахта будет оставлена, извлечь из нее как можно больше полезного ископаемого. Медленное течение процессов разрушения пород обеспечивает некоторый латентный период, до того как опора и кровля обрушатся.
Город Скрантон (штат Пенсильвания) в начале нашего века подвергся сильному повреждению, обусловленному добычей антрацита на глубине всего 20 м. Оставленных целиков оказалось недостаточно, и вскоре после консервации шахты кровля обвалилась, что затронуло большие площади. В городе сильно пострадали многие здания. Поскольку столбы породы подпирали кровлю через равные интервалы, главная улица города покрылась углублениями, располагающимися через 1,5 м и больше, что соответствовало расстоянию между целиками.
Слабо консолидированные породы являются плохим материалом для кровли, и это делает ее обрушение по истечении определенного времени почти неизбежным, даже если добыча велась осторожно и разумно. Кровля старых железорудных шахт в Нет-тлтоне (восточная Англия), сложенная мягкими глинами и песчаниками, к настоящему времени обрушилась, и на окрестных полях появились депрессии конической формы.
Другая крупная опасность, грозящая со стороны старых шахт, связана со способом их консервации. До начала XX века шахты редко засыпались каким-либо материалом после того, как их эксплуатация прекращалась. Вместо этого поперек верхней части шахты укладывали конструкцию из бревен и досок, которую затем покрывали почвенным слоем толщиной 30–50 см. По прошествии времени бревна под слоем почвы начинали гнить, что создавало весьма серьезную опасность. В 1892 г. в железнодорожном депо Линдэйл вблизи станции Барроуин-Фернесс (Камберленд) под локомотивом разверзлась старая рудная выработка. Машинист успел выпрыгнуть за секунду до того, как локомотив провалился. В населенном пункте Абрам близ города Уиган (Ланкашир) старая угольная шахта была заполнена и опечатана перед тем, как над ней построили железнодорожное депо. Однако заполняющий материал был уложен неудачно и со временем уплотнился; в 1945 г. покрытие шахты обрушилось и погребло 13 вагонов с углем, паровоз и машиниста. Под городом Уилкс-Барре в штате Пенсильвания находится множество старых угольных шахт, и в 1968 г. покрытие одной из них, расположенной под крупной дорожной магистралью, обрушилось; медленное растрескивание асфальта дало шоферу время спастись бегством, но его автомобиль провалился в пропасть диаметром 9 м. В окрестностях Матлока в Пеннинах на лесистых холмах имеется множество старых свинцовых выработок, и случаи падения людей в них, если их путь пролегал по сгнившему деревянному покрытию, в этой местности довольно часты.
Встает задача обнаружения этих старых шахт. Если такая шахта найдена, ее можно легко заполнить или бронировать бетоном. Бурение скважин с целью поисков старых шахт является исключительно дорогостоящей операцией, даже если надо разведать лишь небольшую площадь для застройки, поскольку малые размеры этих шахт требуют очень близкого расположения скважин друг от друга. Ограниченные размеры шахт затрудняют также их обнаружение геофизическими методами, хотя Национальное управление угольной промышленности Великобритании добилось некоторых успехов в этой области при помощи чувствительных протонных магнитометров. Эти приборы определяют различия в магнитных характеристиках между коренными породами и обломочным материалом, использованным для засыпки шахт. Однако хотя с их помощью и можно локализовать старые шахты, из-за недостаточной разрешающей способности приборов это делается не столь детально, чтобы обойтись без бурения скважин.
