Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН) (статья написана для журнала "Жизнь и Безопасность")

9. Особенности зон тектонических нарушений в случае карбонатной толщи

     В случае если породная толща содержит известняки, возникает ряд довольно специфических моментов. Первоначально, до начала строительных работ известняковая плита в ЗТН не теряет своей прочности. При бурении это проявляется таким образом, что терригенные породы, залегающие ниже известняков, в ЗТН находятся в разрушенном состоянии, в полном соответствии с вышеописанными механизмами, а сами известняки и породы, покрывающие их, имеют прочность такую же, как и вне ЗТН. В результате, кроме хорошо известного механизма провалов в результате карстообразования, существует еще один механизм провалов. Но сначала о карстах.
     Процесс карстобразования хорошо изучен, и заключается в следующем. Если имеется глубинный источник напорной воды, и вода эта имеет кислотный характер, то при соприкосновении ее с известняком происходит процесс выщелачивания. Карбонатные породы растворяются при участии свободной углекислоты (СаСО₃+Н₂О+СО₂Са+2НСО₃) или других минеральных или органических кислот.
     В объеме, где протекала эта реакция, остается кашеобразная субстанция. Карст, в объеме которого находится такое вещество, на ССП-разрезе проявляется в виде своеобразного ореола. Это проиллюстрировано на рис.9.

ССП-разрез при профилировании в условиях залегания карбонатной толщи
(Нижний Новгород)

Рис. 9

     Карст преобразуется в карстовую пещеру, если в карст перестает поступать напорная вода. Тогда полужидкое вещество карста уходит с водой, и остается полость.
     ССП-разрез, полученный в результате исследования горного массива, содержащего карбонатные породы, имеет свою специфику. Из-за того, что известняки и терригенные породы не диффундируют друг в друга (не прилипают одна к другой), границы между ними очень четкие. В результате, наличие известняков может быть выявлено с помощью метода ССП. Однако из-за этой четкости границ, как правило, крайне слабо видно то, что находится под известняками, и в частности, ЗТН.
     Прочная, но хрупкая известняковая плита в ЗТН ломается, и это прекрасно видно на ССП-разрезе. Этот момент проиллюстрирован на рис. 9. На этом разрезе вне зоны карста, на участке профиля 170 - 250 м видны отрезки несогласованных с массивом границ, которые и представляют собой зону изломанной известняковой плиты. Надо сказать, что в конце профиля, на участке 220-250м на поверхности имеется провал, который образовался очень резко (ударообразно). Естественно, это было воспринято как следствие наличия карста. Однако в этом месте был не карст, а излом известняковой плиты.

10. Свойства зон тектонических нарушений при динамических воздействиях (о техногенных землетрясениях)

     Как видно из приведенных выше ССП-разрезов, воронкообразный объект или одна его образующая - это, по сути, совокупность из нескольких гармонических составляющих, имеющих повышенную добротность по отношению к другим гармоническим составляющим. Почему так получается, что в ЗТН увеличиваются отдельные гармонические составляющие, мне не вполне понятно. Но раз уж эффект есть, то нужно его учитывать и использовать, даже если мы его пока что не понимаем. Главное в данном случае заключается в том, что в ЗТН сейсмосигнал на отдельных гармонических составляющих имеет повышенную добротность. То есть, в отдельных участках земная толща проявляет свойства колебательных систем с повышенной добротностью. А с повышением добротности колебательной системы усиливаются ее резонансные свойства, которые заключаются в том, что при совпадении частоты внешнего периодического воздействия с собственной частотой колебательной системы (что, собственно, и является резонансом) происходит нарастание амплитуды колебаний. При превышении амплитуды колебаний критической величины, происходит разрушение колебательной системы.
     Для примера, напомню известную историю о том, как в результате прохождения по мосту воинского подразделения произошло разрушение этого моста. Авария произошла по следующим причинам. Ну, во-первых, частота синхронных и синфазных ударов кованых сапог оказалась равной или в целое число раз меньшей одной из собственных частот моста. Однако увеличение амплитуды колебаний моста в результате этих ударов возможно только при достаточной добротности моста как колебательной системы. Если бы были предприняты специальные меры для того, чтобы мост ни на одной из множества его собственных частот не имел высокой добротности, то никакие периодические воздействия не вызвали бы резонансных явлений.
     Для того, чтобы в земной толще, при наличии высокодобротных колебательных систем, возникли резонансные явления, необходимо, чтобы воздействие на грунт носило динамический характер, то есть было бы периодическим. Такое воздействие оказывают разного рода вибрирующие механизмы - насосы, динамо-машины, кузнечно-прессовое оборудование, проходящие поезда и т.п. При этом резонансное увеличение амплитуды завершается резким, удароподобным процессом в виде мгновенно развивающихся провалов, обрушений горных выработок, разрушений опор, насыпей. Это явление известно как горные удары или техногенные землетрясения.
     Нам приходилось наблюдать горные удары в угольных шахтах. Они ощущались как удары по пяткам либо как громоподобные звуковые эффекты. Один из таких ударов подбросил добычной комбайн, который, упав, придавил комбайнера. Мы обратили внимание, что из всех тех горных ударов, которые нам доводилось наблюдать, все они прекращались при остановке механизмов (добычных или проходческих). То есть это подтверждает то, горные удары возникают в результате работы механизмов.
     Кроме того, горные удары происходят в настоящее время на очистных сооружениях в пос. Ольгино (Санкт-Петербург). Там они проявляются по-разному - в главном стакане аэрации³ и в расположении главной насосной станции. В главном стакане аэрации горные удары проявляются в виде громоподобных звуковых эффектов и разрушения элементов этого стакана. Довольно часто в стенках образуются трещины, которые заливаются раствором, стягиваются стяжками, но это не останавливает разрушительных процессов. При остановке насосов, работающих в стакане, удары прекращаются. Насосная же станция (СОО - станция основной очистки) просто периодически проваливается в землю. При этом от нее отрываются подводящие трубопроводы.
     Аналогичным образом идут разрушения и на газпромовских насосных станциях. Причину этого, как оказалось, легко увидеть.

ССП-разрез по профилю, проходящему по западной границе очистных сооружений
(Ольгино, Санкт-Петербург)

Рис. 10

     На рис.10 приведен ССП-разрез при профилировании в Ольгино, в непосредственной близости от разрушающихся сооружений. Спектральная составляющая с частотой около 13 Гц вынесенного отдельно сигнала имеет добротность, превышающую 100. Вот это и есть природная колебательная система, которая входит в резонанс с работающими механизмами, что, в свою очередь, приводит к разрушению этих механизмов.
     Мощнейшим источником динамического воздействия является движущийся поезд. На пути прохождении поезда в любой точке железнодорожного полотна возникает как бы серия ударов, количество которых равно количеству колесных пар поезда. Частота этого воздействия определяется скоростью поезда и расстоянием между колесными парами. Если на пути поезда имеется участок, в пределах которого сейсмосигнал содержит спектральную составляющую, характеризуемую высокой добротностью, и при этом возникает резонанс, то по мере прохождения поезда через эту зону амплитуда колебаний дорожного полотна от вагона к вагону будет нарастать. И может случиться так, что разрушение насыпи и участка полотна произойдет прямо в момент прохождения поезда. Иными словами, движение поезда может вызвать горный удар.
     Горный удар, возникающий по указанной выше схеме, проявляется таким образом, что первая часть поезда проходит данную зону (ЗТН) нормально, а начиная с какого-то вагона, поезд сходит с мгновенно разрушающейся насыпи. Подобным образом в 1999 году сошел товарный поезд на пикете 1548 участка Москва-Красное (под г. Гагарин). Этот случай интересен для нас тем, что во время профилирования методом ССП вдоль железнодорожного пути, я обратил внимание, что сейсмосигнал имел крайне высокую добротность. То есть, сигнал имел вид, подобный приведенному на рис.10б. После аварии прошло уже несколько месяцев, и при визуальном осмотре этого места никаких следов ее не было видно. Когда я стал объяснять сопровождавшим меня дорожным рабочим, что в данном месте возможен такой сход поезда, когда сходят только последние вагоны, то оказалось, что именно так здесь оно и происходило.
     Аналогичный случай произошел под Клайпедой, на 358-ом км, в октябре 2001г. В результате обследования участка схода поезда методом ССП опять, как и под Гагарином, была обнаружена ЗТН с очень высокими значениями добротности низкочастотных составляющих сейсмосигнала.
     На основании опроса работников, обслуживающих много лет железные дороги, я выяснил, что действительно, время от времени происходят такие аварии, когда первая часть поезда проходит, а начиная с какого-то вагона, поезд с ходит с рельс. Поскольку причина такого явления была неизвестной, а в официальной документации не должно быть никаких неясностей, то в таком вот, фактическом виде эти аварии никогда не описываются. Либо в качестве причины аварии сообщается о неправильно сработавшей стрелке (которой там, естественно, нет), либо о неисправной ходовой части вагонов. И, что очень важно, такие аварии повторяются в одном и том же месте через сколько-то лет.
     В зависимости от характера пересечения рельсами, как правило, удлиненных ЗТН, возникающие при проходе поезда горные удары по-разному разрушают путь. Так, под Орлом я наблюдал, как в результате того, что ЗТН оказалась непосредственно под откосом насыпи, и направление ее было параллельно пути, горный удар проявился так называемым сплывом насыпи. Причем внезапный, одновременно с проходящим поездом сплыв насыпи именно в этом месте уже происходил неоднократно, с периодом 20-30 лет.
     Динамическое воздействие на грунт может возникнуть и случайно, в результате каких-то реконструкций дома, в результате установки в обычном жилом доме настольного прессового оборудования, либо даже при возникновении эксцентриситета стиральной машины. А то и просто в результате быстрых ритмических танцев молодежи. И при наличии ЗТН с повышенной добротностью низкочастотной гармонической составляющей сейсмосигнала может возникнуть горный удар.
     Вот один из примеров. Разрушения в доме N11 по ул. Шпалерной, СПб начались после того как был выпущен плывун, что произошло в результате ремонта канализационной шахты во дворе этого дома. В результате проведения исследований территории этого дома методом ССП оказалось, что под ним находится система плывунов, которые постепенно выходят, обводняют подвалы, и дом поэтому теряет опору. Для нас сейчас, в аспекте настоящего раздела, наибольший интерес представляет ССП-разрез, полученный при профилировании в подвале и приведенный на рис.11. Добротность сигнала, выделенного на рис. 11б, существенно превысила 100.

ССП-разрез по профилю 2
(Шпалерная, 11)

Рис. 11

     Выйдя из подвала, где был получен этот ССП-разрез, я непосредственно над серединой лини только что сделанного профиля ударил (топнул) ногой по лестнице, чтобы избавиться от налипшей на обувь в подвале грязи. После чего ощутил колебания пола. То есть дом находится как бы в неустойчивом равновесии, что и является следствием высокой добротности колебательной системы, на которую фактически опирается дом. В отчете, написанном по поводу проделанных измерений, мы предупредили жителей, чтобы они избегали любых динамических нагрузок, находясь в этом доме, и особенно, вблизи выявленного нами V-образного объекта. И действительно, как оказалось, при работе стиральной машины в режиме отжима в квартире, находящейся непосредственно над этим профилем, машина начинает подпрыгивать, а в самом доме начинаются такие вибрации, что у жителей это вызывает беспокойство.
     В общем, жители этого дома находятся в большой опасности. Так, если бы эта машина оказалась привернутой к полу, а не прыгала при отжиме, дом при ее работе разрушился бы.
     При отсутствии понимания физики горного удара, он может быть и нераспознан. Так, в мае 2001 года внезапно разрушился Дворец Торжеств в Иерусалиме, при проведении в нем первой, после его возведения, свадьбы. Разрушение произошло, когда начались быстрые, ритмические танцы. Насколько мне известно, строители были привлечены к уголовной ответственности.
     Из наиболее серьезных последствий горных ударов можно назвать Чернобыльскую аварию. В момент аварии сейсмологи зафиксировали два толчка, эпицентр которых находился непосредственно под 4-м блоком ЧАЭС. Поскольку зона эта не является сейсмоактивной, причины этих толчков были непонятны. Это были горные удары. Они возникли в результате работы (вибрации) генераторов АС, оказавшихся в ЗТН. То, что 4-й блок оказался в ЗТН, подтверждает тот факт, что в настоящее время останки этого блока вместе с саркофагом неуклонно погружаются в грунт.
     Техногенные катастрофы зачастую возникают в результате горных ударов, и распознав их физику, мы можем исключить их из списка опасных для человечества факторов.

11. Пульсации грунта в зонах тектонического нарушения и следствия из этого явления

     Сравнительно недавно ученые УрАН РФ с помощью средств космической геодезии обнаружили, что грунт в ЗТН находится в состоянии постоянной пульсации [6]. Амплитуда этой пульсации достигает 10 см. Когда я об этом рассказываю, то первый вопрос, который при этом обычно возникает, касается частоты этой пульсации. Но, к сожалению, те исследования, результатом которых явилась эта информация, не позволяют определить частоту пульсации.
     Дело в том, что сами измерения осуществляются с помощью специальной высокоточной аппаратуры GPS, позволяющей определять координаты собственной антенны с точностью до 1 мм. Так вот, в ЗТН местонахождение этой антенны не может быть определено с этой точностью. Погрешность измерений при размещении антенны в ЗТН резко увеличивается с 1 мм до 10 см. Это значит, что местонахождение антенны в ходе одного измерения (которое длится несколько часов) изменялось (относительно спутников) на величину, достигающую 10 см. А поскольку при повторении этих измерений повторяются и их результаты, то не остается ничего другого, как предположить наличие постоянно происходящих колебаний грунта.
     Этот факт вначале никак не мог быть принят, так как если грунт является твердой средой, то резкого изменения погрешности при плавном смещении антенны в зону тектонического нарушения быть не должно. Разгадка этого феномена пришла после того как выяснилось, что грунт в ЗТН является не твердой средой, а тем, что иногда называют твердой жидкостью.
     Наличие же этой пульсации позволило понять целый ряд явлений.
     В первую очередь, это необычайно сокрушительное воздействие ЗТН на инженерные сооружения. Скажем, на трубопроводы. Казалось бы, если грунт в ЗТН имеет пониженную несущую способность, то трубопроводы, пересекающие эти зоны, должны только провиснуть. Однако на самом деле, трубопроводы в этих зонах, имеют тенденцию к разрыву. Скажем иначе. Подавляющее большинство аварий на трубопроводах (а их количество в России составляет более 80 тысяч в год) происходит в ЗТН. Сейчас, после открытия уральскими учеными пульсации грунта в ЗТН, стала понятна физика такого поведения трубопроводов в этих зонах.
     В самом деле, если представить себе, что один и тот же трубопровод за пределами ЗТН находится в неподвижном состоянии, а в ЗТН подвергается постоянным знакопеременным динамическим воздействиям со стороны грунта, в котором он находится, то станет понятно, что бесконечно долго выдерживать такое насилие трубопровод не сможет. Естественно, что при этом начнется развитие микротрещиноватости, которое завершится разрывом трубы.
     С трубопроводами происходит еще одно очень интересное явление, обусловленное пульсацией грунта.
     При прокладке трубопроводов, время от времени их неизбежно приходится укладывать поперек рек. Для этого по трассе трубопровода прокладывают по дну реки траншею. В эту траншею укладывают трубу и заваливают ее балластом - мешками с цементом и песком, бетонными блоками и т.п., - чтобы не всплыла. И тем не менее - всплывает. Почти всегда и повсеместно. А всплывая, труба подвергается воздействию течением реки, и время от времени происходит ее разрыв. Со всеми вытекающими из этого последствиями для экологии.
     Отчего так происходило, почему такой тяжелый балласт смывается с трубы течением - было неясно. Для того, чтобы труба не всплывала, изменили технологию. Теперь вместо того, чтобы прорывать траншею, делают под дном реки горизонтальное бурение, куда заталкивают трубопровод. Но, увы, трубы, проложенные по новой технологии, все равно всплывают. Объяснить это оказалось очень просто с позиций материала настоящего раздела. В самом деле, ведь пересекая под дном реку, труба пересекает ЗТН, а следовательно, проходит под дном в зоне, в которой грунт находится в состоянии постоянной пульсации. Труба при этом не может пульсировать точно так же, как пульсирует грунт, так как она опирается о грунт за пределами ЗТН. Следовательно, грунт как бы трется о трубу, за счет этого рыхлится и, стало быть, вымывается водой. Ну, а поскольку труба обладает положительной плавучестью, то не всплыть она не может.
     И если труба проложена не в траншее, а в скважине, то это ничего не меняет. Все равно, породы под руслом, и так рыхлые в силу свойств ЗТН, находятся в состоянии постоянной пульсации, и дополнительное их рыхление от трения об трубу обеспечит тот же самый эффект.
     Как оказалось, этот эффект пульсации определяет состояние также и рельсовых путей. В самом деле, ведь рельсы, пересекающие ЗТН, оказываются в очень сложных по характеру нагрузок условиях. С одной стороны, они прикреплены костылями к шпалам, которые пульсируют вместе с грунтом, а с другой, рельсы не могут так же двигаться, поскольку их от этого удерживают непульсирующие их продолжения. В результате, в ЗТН, в отверстиях в рельсах, через которые проходят костыли, возникают трещины. Что, естественно, снижает прочность рельсового пути в ЗТН. И действительно, как показали работы ученых ОАО "Авионика" [7], трещины в рельсах, в зонах крепления их к шпалам, обычно привязаны к определенным участкам пути. И когда рельсы с трещинами меняют на новые, то через некоторое время в них опять, примерно в тех же местах возникают трещины.
     Постоянная подвижность в ЗТН грунта и горных пород в целом, имеет своим следствием то, что при проектирования инженерных сооружений в этих зонах нельзя ограничиваться расчетами на статическое нагружение. Кроме того, эта подвижность объясняет то, что в ЗТН грунт ведет себя как зыбучие пески, засасывая в себя любые сооружения.

11-а. Влияние зон тектонического нарушения на железобетонные конструкции

     Не зная, что именно является причиной весьма многочисленных разрушений, строители, тем не менее, пытаются им противостоять. Так, наиболее ответственные сооружения усиливают железобетонными несущими конструкциями, устанавливают эти сооружения на толстые железобетонные плиты. И тем не менее, это не спасает. Более того, когда происходит внезапное разрушение таких вот усиленных конструкций, то зачастую оказывается, что в местах трещин железобетона отсутствует арматура. От нее остается лишь пыль коричневого цвета.
     Как всегда, когда явлению нет объяснения, оно не очень-то обсуждается в печати. На самом деле, все обстоит очень просто. И если бы раньше были известны свойства ЗТН, в которых, как теперь стало ясно, и происходят подобные вещи, то меры против разрушений применяли бы совершенно иные.
     Дело в том, что когда сооружение частично попадает в ЗТН, то в их несущих конструкциях могут возникать изгибные напряжения. А железобетонные конструкции не могут работать на изгиб. В результате, в них возникают микротрещины. Глубинные газы пронизывают эти, теперь уже газопроницаемые объекты, и совместно с водой способствуют быстрому окислению арматуры. Лишенный арматуры, бетонный каркас довольно быстро разрушается.
     Точно также не оправдывают надежд используемые в качестве оснований толстые железобетонные плиты, если они попадают в ЗТН. Дело в том, что толстые железобетонные плиты, на самом деле, не монолитные, а слоистые. Заливка цементом при изготовлении этих плит идет не непрерывно, а порциями, по мере поступления на стройку цементного раствора. В результате, соседние слои не "прилипают" друг к другу. И поэтому при изготовлении железобетонной плиты, скажем, 2-метровой толщины, получается не монолит, а мелкослоистая структура 2-метровой толщины. То есть, увеличение толщины плиты за счет увеличения количества порций-слоев цемента не приводит к увеличению ее прочности. И особенно, при возникновении изгибных напряжений, которые неизбежно возникают, если несущая способность грунта под плитой окажется неоднородной.

12. Гипотеза о физике природных землетрясений

     Прогноз того или иного явления возможен только в том случае, если известна его физика. Прогноз - это экстраполяция в перспективу предвестников соответствующего явления, и до тех пор, пока мы не знаем, какие ему предшествуют события, прогноз невозможен. Сейчас мы имеем основание утверждать, что проблема прогноза техногенных землетрясений в основе своей решена. Естественно, возникает вопрос: а нельзя ли провести какие-то параллели между техногенным и природным землетрясениями с тем, чтобы приблизиться к решению проблемы прогноза также и естественных землетрясений.
     Техногенные землетрясения (горные удары) и землетрясения природные, естественные - имеют некоторые общие моменты. Как те, так и другие - происходят в ЗТН. Только ЗТН, в которых происходят природные землетрясения, принято называть разломами. Разломы - это крупные тектонические нарушения - региональные, глобальные - которые действительно могут выявляться не только методом ССП, а, например, и из космоса. Участвуя в семинарах и слушая доклады об изучении землетрясений и их предвестников, я постоянно слышу о регистрации непосредственно перед землетрясением усиления гармонических колебаний. Мне не удается понять, какой аппаратурой регистрируются эти колебания и какова их частота. По всей видимости, период этих колебаний - от минут и более. То есть речь идет о весьма низких частотах. Но в любом случае, видим те же две необходимые составляющие, что и при выявлении условий возникновения горных ударов. Наличие тектонического нарушения (поскольку только в пределах ЗТН наблюдаются высокодобротные колебательные системы) и наличие внешнего гармонического воздействия.
     Если при формировании горных ударов внешнее гармоническое воздействие имеет техногенное происхождение, то при формировании природных землетрясений - оно планетарное.
     Предлагаемая гипотеза состоит в том, что планетарное гармоническое воздействие есть не что иное, как выявленная учеными УрАН РФ пульсация в ЗТН. Однако в таком случае должно быть так, что каким-то образом изменяются соотношения между собственными частотами колебательных систем, находящихся в Земле, и частотами этого самого планетарного, внешнего воздействия таким образом, что время от времени в различных участках Земли возникают условия для резонанса. То есть, непосредственно землетрясения. Потому что если бы соотношения эти не изменялись, то землетрясения шли бы в одних и тех же местах, и при этом непрерывно.
     Мне представляется, что в сейсмоактивных зонах постоянно идут какие-то разрушения в земной толще, и за счет этого изменяются собственные частоты находящихся там структур. Само же землетрясение возникает тогда, когда в результате этих разрушений формируются условия для резонанса. То есть возникают высокодобротные колебательные системы, одна из частот которых приближается к частоте планетарной пульсации. Прекращаются толчки, когда в результате землетрясения эти колебательные системы разрушаются, и условия резонанса исчезают.
     В пользу этого предположения свидетельствует следующий факт. Замечено, что подземные атомные взрывы иногда инициируют землетрясения. Думаю, что это как раз и обусловлено тем, что в результате атомного взрыва могут произойти такие разрушения в земной толще, что изменится собственная частота соответствующей высокодобротной колебательной системы в данном конкретном месте. И при этом изменится в сторону частоты постоянно идущей пульсации.
     Реализация прогноза землетрясений на основе этой гипотезы представляется следующим образом.

1. Построить карту ЗТН в сейсмоактивных зонах,
2. Определить частоты пульсаций в выявленных ЗТН,
3. Наблюдать за изменениями амплитуд пульсаций.

     Процедура собственно прогнозирования землетрясения - это именно выполнение 3-го пункта. При возникновении условий резонанса происходит увеличение амплитуды колебаний (пульсации). Установление факта нарастания этой амплитуды - это и есть краткосрочный прогноз землетрясения.
     Я думаю, что именно это нарастание амплитуды сверхнизкочастотных колебаний и беспокоит животных, поведение которых очень изменяется непосредственно перед землетрясением.
     Проверить эту гипотезу очень хотелось бы. Потому что если она окажется верной, то тогда проблему прогнозирования природных землетрясений можно будет считать решенной. Так же, как и техногенных землетрясений. Но самостоятельно, без субсидий, создать специальную аппаратуру и поставить измерения сразу в нескольких сейсмоактивных зонах мы не сможем.

12-а. О сейсмостойком строительстве

     Инженеры, занимающиеся проблемой сейсмостойкого строительства, достигли больших успехов в создании сооружений, способных выдержать значительные подземные толчки. Это, конечно, здорово. Но мне казалось бы, что здесь следует идти еще по одному пути. А именно, не строить сооружения непосредственно в ЗТН. Ведь основные деформации почвы во время землетрясений идут именно там. И думаю, что каким бы сейсмостойким ни было сооружение, в зоне тектонического нарушения при землетрясении ему устоять и уцелеть будет очень трудно.
     Интересно, что с какой бы стороны мы ни смотрели на ЗТН, мы обязательно приходим к мнению о том, что надо как-то избегать строительства в этих зонах.

Рейтинг публикации:

11

Комментарии (2) | Распечатать

Добавить новость в: