Мельников Е.К.
Врассказах людей, путешествовавших по пустыням, часто упоминается такая загадкаприроды как зыбучие пески. Ровная поверхность песка при любом на неемеханическом воздействии вдруг превращается в уходящую вглубь воронку,засасывая несчастного путника, верблюда, а то и автомобиль. Однако оказалось,что подобные явления не редкость и за пределами пустынь. Правда, губительноедействие воронок при этом не столь стремительно. Но столь же неотвратимо.
Досих пор встречаются на Земле некоторые таинственные места, в которых синженерными сооружениями, а порою, и с людьми время от времени происходятнеожиданные события.
Одноиз таких событий заключается в том, что при осуществлении разведочного бурениявыход керна в некоторых скважинах оказывается существенно ниже, чем это принятоизвестными нормативами. Так, в ходе разведочного бурения при проведенииинженерно-геологических изысканий по трассе петербургского (тогда ещеленинградского) метрополитена выход керна в скважине N 118 по Политехническойул., пробуренной объединением «Севзапгеология» в 1970 г на глубину120 м, практически отсутствовал. То есть породы в этой точке бурения были встоль нарушенном состоянии, что извлечь их в сколько-нибудь оформленном видеоказалось невозможно. Это при том, что в остальных скважинах, выполненных поэтой трассе, выход керна был не менее 60%, что соответствует нормативам.Согласно существующим правилам, если выход керна уменьшается, то этосвидетельствует исключительно о некачественном бурении. Поэтому когда такоепроисходит, то в отчетных документах этот факт отсутствует. А заинтересовал оннас потому, что именно в зоне, где не удалось при бурении извлечь породы, вдальнейшем, в 1995 году произошла разгерметизация тоннелей. То есть та самаяавария, из-за которой до сих пор между соседними станциями метро«Лесная» и «пл. Мужества» приходится ездить наземнымтранспортом. Было ли это случайным совпадением, или эти два момента имелипричинно-следственные связи, тогда нам было еще непонятно.
Непроходит недели, чтобы в Мире не происходили внезапные разрушения домов. Одноиз последних крупных событий подобного рода – это унесшее много человеческихжизней разрушение Дворца Торжеств в Иерусалиме. Как и в случае описанной впредыдущем параграфе аварии на метрополитене, причина разрушения осталасьнеизвестной. Однако наличие человеческих жертв требует хотя бы формальнойясности причин, и поэтому работавшая там комиссия представила случившееся какрезультат недоработок при строительстве. Как показывает опыт, практически всеслучаи внезапных разрушений соответствующие комиссии объясняют либо применениемнекачественного строительного материала, либо нарушением технологии пристроительстве, либо неправильной эксплуатацией этого сооружения.
Ивсе же, пусть и очень редко, но происходят внезапные разрушения, которые неудается объяснить перечисленными выше причинами. Так, в 1903 году в Канаде,внезапно разрушился Трансконский элеватор. Собственно, даже не разрушился, апросто в течение 23 часов элеватор, имеющий размеры в плане 23,5x58 м иустановленный для устойчивости на железобетонной плите метровой толщины,практически лег набок. Один угол элеватора при этом ушел в грунт на 8 метров, апротивоположный поднялся вверх на 3 метра. Комиссия, занимавшаясярасследованием этого события, первым делом установила, что зерно засыпалось вэлеватор равномерно, и, следовательно, авария произошла не из-за неправильнойего эксплуатации. В результате бурения, проводившегося приинженерно-геологических изысканиях перед строительством элеватора, былоизвестно, что грунт был представлен плотными глинами 20-метровой толщины, нижекоторых залегает известняк. Повторное бурение, выполненное непосредственнопосле аварии, показало, что в зоне опускания одного из углов элеватора грунтбыл представлен не плотными, а весьма податливыми, пластичными глинами, подкоторыми залегает карст.
Чтоэто было: некачественное бурение при инженерно-геологических изысканиях, врезультате чего осталась незамеченной зона пониженной несущей способностигрунта или состояние грунта изменилось в процессе строительства элеватора и егоэксплуатации?
Отом, что несущая способность грунта может уменьшаться со временем,свидетельствуют многочисленные случаи аварий на трубопроводах. Мало того, чтоколичество этих аварий чрезвычайно велико (по данным экологов, в течение годаколичество аварий на различных трубопроводах в России составляет примерно 80тысяч), но многие из них происходят повторно в одном и том же месте, и приэтом, там, где при инженерно-геологических изысканиях грунт характеризовалсядостаточной прочностью, после аварии, при повторном бурении – существенноменьшей.
Известно,что аварии на трубопроводах всегда объясняют недостаточным качеством самихтруб. Но тогда возникает следующий вопрос. Ведь после ремонта прочность трубы вместе ремонта должна быть безусловно выше, чем на соседних участках. Тогдапочему же повторная авария происходит именно в том же месте, а не рядом?
Впользу того, что причина внезапных разрушений сооружений как-то связана сналичием участков с пониженной, и я бы сказал, что с хронически пониженнойнесущей способностью грунта, по-видимому, обусловленной каким-то специфическимгеологическим строением, свидетельствует также еще тот факт, что прогиб рельсна железных дорогах происходит, как правило, на одних и тех же участках. Ремонтучастка пути сопровождается дополнительным уплотнением грунта, но, несмотря наэто, спустя некоторое время, именно этот участок опять начинает требоватьтакого же ремонта.
И,наконец, о здоровье людей. Как показывает опыт, существуют некие зоны,проживание в пределах которых характеризуется повышенной заболеваемостью. Вработе /1/ приведены статистические данные, полученные при наблюдении заздоровьем людей в домах расположенных вдоль Гражданского проспекта Петербурга.При этом оказалось, что в некоторых зонах этого микрорайона наблюдаетсясущественное увеличение количества заболевших онкологическими исердечно-сосудистыми заболеваниями, а также уменьшение длительности жизни. Этизоны называются геопатогенными, и в работе /2/ приведены доказательства того,что наличие их обусловлено каким-то специфическим геологическим строением.
Какпоказали инженерно-геофизические исследования, выполненные с помощьюальтернативной сейсморазведки — метода спектрально-сейсморазведочногопрофилирования (ССП), природа зон, в которых следует ожидать внезапныхразрушений инженерных сооружений, аварий на трубопроводах, прогиба рельсовыхпутей, а также наличия геопатогенности, одна и та же. При этом оказалось, чтоформирование этих зон происходит на очень больших глубинах. Поэтому, несмотряна то, что метод ССП применяется уже более 5 лет, для строителей до сих порочень трудно воспользоваться его результатами.
Делов том, что, согласно азам строительной науки, на надежность инженерныхсооружений влияют прочностные характеристики грунта на глубинах, не превышающих10¸15 м. Именно по этой причине, кстати, авария на Трансконском элеватореникак не связывалась с наличием под ним карста: ведь он находился на глубинах,превышающих 20м.
Преждечем прийти к мнению об ошибочности этого основополагающего постулата строительнойнауки, мы исследовали его истоки.
Согласносуществующим представлениям, горные породы вообще, и грунт, в частности,обладают упругостью. Как следствие этого допущения, влияние инженерныхсооружений на находящиеся под ним породы должно уменьшаться с глубиной, иособенно, на фоне возрастающего с глубиной горного давления. В самом деле, еслинагрузить упругую (например, стальную) плиту, то прогиб ее будет тем меньше,чем больше толщина этой плиты. Расчеты показывают, что при средних прочностныххарактеристиках грунта и при средних размерах (а стало быть, и весе) сооруженияпредельная глубина влияния не должна превышать эти самые 10¸15м.
Нов том-то и дело, что никакими экспериментами подтвердить наличие упругостигорных пород нельзя. Это в достаточной степени описано в работе /3/. Упругостьпредполагает обратимость возникающих деформаций. Однако, как оказалось, принагружении образцов горных пород деформации возникают вследствие накоплениямикронарушенности. При снятии нагрузок с образца микронарушенность материалауже не уменьшится, а следовательно, форма и размеры его не возвращаются кисходным. Плита из горной породы при ее нагружении если и изгибается, то засчет накопления микронарушенности. А следовательно, с увеличением толщины (или,как говорят геологи, мощности) породной плиты не прогиб ее уменьшится, а всеголишь уменьшится скорость накопления микронарушенности. То есть скорость ееразрушения. А это значит, что на какой бы глубине ни находился карст, он раноили поздно все равно начнет оказывать влияние на инженерное сооружение.
Какпоказали результаты использования метода ССП в различных геологическихусловиях, формирование потенциально опасных зон определяется не толькокарстами.
Какпоказано в работе /3/, применение ССП позволяет определять свойства горныхпород, которые другими методами определены быть не могут. А именно, выявлятьобласти, зоны, поверхности, характеризуемые повышенной микронарушенностью.
Однойиз неизбежно существующих поверхностей, характеризуемых повышенной микронарушенностью,является поверхность раздела между осадочными породами и породамикристаллического фундамента. Повышенная микронарушенность этих поверхностейобусловлена отсутствием взаимного проникновения осадочных и кристаллическихпород. Поэтому применение метода ССП позволяет выявить эту границу, а также теучастки, где вследствие наличия разрывного тектонического нарушения разделмежду осадочными и кристаллическими породами существует в виде не конкретнойграницы, а некоторой зоны.
Нарис. 1 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании в условиях малоймощности осадочных пород, под Выборгом (Ленинградская область). Согласносуществующей геологической информации, мощность осадочного чехла в этом регионеможет составлять от 0 до 100 м. Кристаллические породы фундамента представленыгранитом.
Каждыйвертикальный объект на ССП-разрезе представляет собой спектральное изображениесейсмосигнала. Ось частот показана справа от ССП-разреза. Ось глубин находитсяслева и связана с осью частот соотношением
/>
приVсдв=2500 м/с. Величины раздувов на каждом вертикальном объекте пропорциональныплотности спектра. Шаг профилирования – 10м.
РассмотрениеССП-разреза необходимо предварить следующим замечанием. ССП-разрез представляетсобой изображение совокупности спектральных изображений сейсмосигналов,получаемых при профилировании. То есть, фактически, является изображениемпервичной информации, не измененной какой бы то ни было интерпретацией. За счетэтого, при построении ССП-разреза полностью отсутствует субъективный фактор.Но, с другой стороны, при прочтении ССП-разреза необходим некоторый навык. Вэтом смысле ССП-разрез можно сравнить с изображением на экране рентгеновскогоаппарата. В связи с этим, для упрощения восприятия, на ССП-разрезах,представленных далее, некоторые геологические объекты будут средствами графикипомечены либо выделены.
НаССП-разрезе, представленном на рис. 1, прослеживается кровля кристаллическогофундамента, сложенного гранитами. Граница между породами кристаллическогофундамента и осадочного чехла помечена белой штриховой линией.
Назападном краю профиля (0-50м) мощность осадочных пород составляет примерно 40м,а на восточном (110 — 170м) — 70м. На участке профиля 60 — 100 м выявленоразрывное тектоническое нарушение — сброс амплитудой 30м. В зоне тектоническогонарушения кровля гранита не прослеживается, так как гранит в этой зоне характеризуетсяблочной нарушенностью. Область блочной нарушенности выделена черными штриховымилиниями.
/>
Рис.1
Научастке профиля 110 — 170 м в граните на глубине около 130 м видна граница,природа которой нам неизвестна. В принципе, такого же рода границы возникают,когда в кристаллических породах залегают массивные рудные тела.
Вданном случае метод ССП использовался для поисков месторождения воды, искважина, пробуренная на 80-м метре профиля, с глубины 40м дала воду с дебетомоколо 100м3 в сутки.
Нетруднозаметить, что здесь мы имеем уникальную информацию. В самом деле, дляопределения мощности осадочного чехла обычно используется разведочное бурение.Однако бурение дорого, и скважины при картировании обычно отстоят друг от другана расстоянии в несколько километров. Для того же, чтобы выявить тектоническоенарушение и определить его параметры, необходимо было бы применить нереальнобольшой объем буровых и вскрышных работ.
Какпоказал опыт, к тектоническим нарушениям в кристаллическом фундаменте вВыборгском районе приурочены месторождения воды трещинного типа. На сегодняшнийдень уже более десяти скважин, пробуренных под Выборгом на основании результатовССП, дают воду с достаточным дебетом, и пока еще не было ни одного случая,когда бы такая скважина не давала воду.
Сувеличением мощности осадочных пород увеличивается сила прижима их ккристаллическим породам, что проявляется ослаблением прорисовки границы междуними на ССП-разрезе. Но при этом над зоной тектонического нарушения наССП-разрезе возникает воронкообразный объект. Его форма обусловлена процессами,происходящими в осадочных породах в условиях, когда сверху давитувеличивающаяся толща, а опора под ними в виде монолитного кристаллическогофундамента отсутствует. Здесь в полной мере проявляется отсутствие у осадочныхгорных пород упругих свойств. Вместо того, чтобы вести себя наподобие упругойплиты, лишь прогибающейся в зоне тектонического нарушения, осадочные породы,покрывающие собой разрывное тектоническое нарушение, раздавливаются вышележащейтолщей, заполняя собой разрыв в кристаллическом фундаменте.
Этотпроцесс «залечивания» разрывных нарушений представляет собоймикроперемещения сверху вниз частиц осадочных пород. В него вовлечен весь столбпород, находящихся непосредственно над нарушением. Однако интенсивностьмикроперемещений убывает снизу вверх, по мере уменьшения горного давления. Поэтой причине верхний, приповерхностный слой осадочных пород до некоторых порможет быть достаточно прочным.
Понятно,что в зонах, где идут постоянные микроперемещения частиц, породы находятся всостоянии повышенной микронарушенности. Следовательно, находящиеся в зонетектонического нарушения породы, бывшие прочными тогда, когда они еще былиприповерхностными, по мере увеличения мощности осадочного чехла, будутвовлекаться в процесс микроперемещений, и тем самым, разрушаться.
/>
Приведенныйна рис.2 ССП-разрез получен при профилировании вдоль еще не построенногожелезнодорожного пути на окраине Санкт-Петербурга. Хорошо видный здесьворонкообразный объект соответствует области повышенной микронарушенностиосадочных пород и является признаком того, что профиль пересек тектоническоеразрывное нарушение.
Наглубинах порядка 20м слабо просматривается почти горизонтальная граница. Этозначит, что в 20-метровой приповерхностной толще пород никаких следов отнаходящегося под ними тектонического нарушения еще нет.
Воздействиена грунт со стороны строительной техники, а затем, и возведенного сооруженияприведет к тому, что верхняя граница породного столба, в пределах которого идутмикроперемещения частиц сверху вниз, начнет подниматься к дневной поверхности.Таким образом, ведение строительных работ в зоне тектонического нарушенияобязательно приведет к разрушению приповерхностного слоя пород.
Послезавершения строительства железной дороги в этом месте и начала еефункционирования граница, прослеживаемая на глубине 20 м, также приметворонкообразную форму. Это будет свидетельствовать о том, что повышеннаямикронарушенность пород достигла поверхности, и прочный до строительстваприповерхностный слой пород потерял свою несущую способность.
Обратимвнимание на воронкообразный характер зоны повышенной микронарушенности пород,находящихся над разрывным тектоническим нарушением на рис. 2. В принципе, этота же воронка, что и в случае зыбучих песков. И только наличие связующеговещества между отдельными зернами осадочных пород делает процесс погружения вгрунт значительно более медленным, чем там, где в качестве грунта – чистыйпесок.
Породы,находящиеся в состоянии повышенной микронарушенности, обладают также повышеннойпроницаемостью как для жидких, так и для газообразных субстанций. Поэтому, еслив условиях залегания известняков встречается тектоническое нарушение, амигрирующая там вдоль проницаемых пород вода имеет кислотный характер, то врезультате взаимодействия ее с известняком пойдет процесс карстообразования.Следовательно, карст – лишь частный случай проявления разрывного тектоническогонарушения в условиях залегания карбонатных пород.
Наличиеповышенной проницаемости пород в зонах тектонических нарушений позволяет понятьфизику формирования геопатогенных зон. Проведениеспектрально-сейсморазведочного профилирования в геопатогенных зонах, выявленныхавторами работы /4/, показало, что зоны эти формируются непосредственно надразрывными тектоническими нарушениями.
Обладаяповышенной газопроницаемостью, породный столб является каналом, по которому наповерхность выходят газы, находящиеся в недрах земли. Наличие выделенийглубинного метана, радона, углекислоты и других газов легко регистрируетсяразного рода газоанализаторами. Концентрация этих газов обычно невелика, но придлительном воздействии они оказывают на наше здоровье вредоносное воздействие.
Многочисленныенаблюдения за поведением инженерных сооружений в зонах, где на ССП-разрезахпрорисовываются воронкообразные объекты, позволили увидеть целый ряд визуальныхпризнаков зон тектонических нарушений. Это и провалы дорожного покрытия, испецифические трещины в стенах домов. Трещины эти чаще всего можно видеть подуглами окон, и интенсивность их и протяженность зависит от параметровтектонического нарушения.
Откачества стройматериалов и применяемых строительных технологийтрещинообразование в стенах, по-видимому, не зависит. Во всяком случае,наблюдал я их одинаково часто как в России, так и в странах, славящихся высокимкачеством строительства. Находясь во Франции, Бельгии, Германии я видел этитрещины, зачастую, в стенах домов, строительство которых еще даже незавершилось. Даже, более того, в старых домах, пронизанных насквозь трещинами,они могут быть вовсе не видны, так как созданы даже специальные технологии,позволяющие эти трещины сделать невидимыми.
Однако,к сожалению, уровень геопатогенности при замазывании трещин не только неснижается, но и, наоборот, увеличивается. Ведь замазывая трещины, мы, темсамым, увеличиваем герметичность помещений и как бы способствуем накоплению вних вредных веществ. А кроме того, видимые глазу трещины являются индикаторомразвивающейся аварийной ситуации. Нам известны случаи, когда жители покидалиразрушающееся жилище заблаговременно, основываясь на визуально наблюдаемомтрещинообразовании в стенах.
Невызывает сомнения, что применение метода ССП со временем позволит уменьшитьаварийность инженерных сооружений и повысит экологическую безопасность в жилыхи производственных помещениях.
Список литературы
МельниковЕ.К., Мусийчук Ю.И., Потифоров А.И. Геопатогенные зоны — миф или реальность? — Л.: ВНИИ Океангеология. — 1993.
РудникВ.А. Влияние зон геологической неоднородности Земли на среду обитания. //Вестник РАН N 8 т.66.- 1996.- с.713-719.