Проседание и обрушение в кавернозных известняках
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
