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

1. Зоны тектонического нарушения - как объект, подлежащий выявлению методом ССП

     Геотектоника как наука объединяет огромный массив знаний о тектонических движениях и деформациях. Однако, как оказалось, все эти представления носят чисто гипотетический характер. А те немногие экспериментальные данные, которыми эта наука оперирует, представляют собой не что иное, как результат сейсморазведочных изысканий.
     Так сложилось, что занимаясь последние 30 лет разработкой принципов спектральной акустики и спектральной сейсморазведки, мы пришли к выводу, что традиционная (называемая еще лучевой) сейсморазведка является научным заблуждением. Подобнее об этом - в работах [2, 3]. Но если это так, то получается, что наука о тектонических процессах и нарушениях является полностью гипотетической. Однако несмотря на это, как следует из учебников по геологии и геофизике, практически все геофизические методы претендуют на способность картировать тектонические нарушения. Придуманы различные классификации тектонических нарушений, а также сформировались мнения о том, как влияют тектонические нарушения на возводимые над ними инженерные сооружения. Больше того, мнения эти даже вошли в строительные нормы и правила (СНиПы). В результате, произошло то, что всегда и происходит, когда характеристики явления возникают прежде, чем начинается его фактическое изучение. А именно, полное несоответствие реальных свойств тем, которые были придуманы априорно.
     На самом деле, тектонические нарушения, представляющие собой разного рода трещины либо зоны трещиноватости в кристаллических породах (граниты, гнейсы и т.п.), являющихся фундаментом для осадочного чехла, могут наблюдаться геологами с дневной поверхности только при отсутствии осадочного чехла. Кроме того, визуальный осмотр тектонических нарушений возможен в тех случаях, когда в кристаллических породах существуют подземные выработки. При этом тектоника видна либо при осмотре стенок этих выработок, либо их кровли и почвы. Там, где осадочные породы закрывают собой кристаллический фундамент, однозначно судить о наличии тектонических нарушений до сих пор было невозможно.
     Таким образом, получилось, что метод ССП оказался первым аппаратурным методом, с помощью которого стало возможно выявление, а затем и изучение тектонических нарушений. При использовании метода ССП в условиях небольших мощностей осадочного чехла оказалось возможным увидеть тектоническое нарушение во всей его реальности. На рис.1 показан один из таких случаев. Здесь, на глубине 35-42 м, отчетливо видна граница между гранитом и осадочными породами. Граница эта весьма изрезана, но даже на фоне такой неровной поверхности хорошо видно разрывное нарушение на участке профиля 30-40м, которое и называют тектоническим.

ССП-разрез при профилировании под Выборгом

Рис. 1

     В первый раз тектоническое нарушение столь наглядно мы увидели еще в 1997 году, при использовании метода ССП под Выборгом, в городе Советске, когда выполнялась задача отыскания трещин в кристаллическом фундаменте (граните). Трещины же были необходимы для того, чтобы с помощью пробуренной там скважины получать воду. Это так называемые месторождения воды трещинного типа, и оцениваются они как наиболее стабильные источники воды хорошего качества.
     Чаще всего непосредственно нарушение в кристаллических породах не видно. Виден только обнаруженный нами признак его, в виде воронкообразного (V-образного) объекта. Пример такого случая показан на рис.2. Здесь также на глубине 30-40м видна кровля гранита. А на участке профиля 13,5-25,5м прорисовался V-образный объект, острие которого (вблизи 21-го метра профиля) оказалось на глубине 70м. Первоначально этот воронкообразный объект был воспринят нами как показатель местонахождения границы между гранитом и осадочными породами. Однако в дальнейшем, в результате бурения вблизи 19,5м профиля, оказалось, что граница между гранитом и осадочными породами в этом месте находится на глубине около 35 м, и что этот воронкообразный объект не соответствует какой-либо геологической границе. Граница же на глубине 35м не отобразилась на ССП-разрезе потому, что гранит в этом месте раздроблен и не имеет единой границы. Что касается вышележащего V-образного объекта, находящегося на глубинах 25-40 м, то и он не отражает какого-либо геологического объекта.

ССП-разрез в условиях малых мощностей осадочного чехла

Рис. 2

     С увеличением мощности осадочного чехла кровля кристаллических пород перестает прорисовываться, а при пересечении тектонического нарушения на ССП-разрезе прорисовывается либо V-образный объект, либо одна его образующая. Мы не знаем на сегодняшний день, почему зона тектонического нарушения на ССП-разрезе проявляется именно воронкообразным объектом. Но то, что наличие этого объекта обязательно соответствует наличию тектонического нарушения - это точно, и проверено многократно, в самых различных геологических условиях. В порядке проверки этого соответствия, мы проводили измерения в самых различных условиях - от отсутствия осадочных пород (под Выборгом, под Мончегорском и в Нижнем Тагиле), и до 5-километровой его мощности (под Оренбургом). При этом глубины, на которых прорисовывается V-образный объект - это, как правило, от 50 до 200м. На рис.3 показан такой типичный объект. Участок ССП-разреза, изображенный на этом рисунке, получен при профилировании в геологических условиях полигона "Красный Бор".

Рис. 3

     Мы помечаем прорисовывающиеся объекты штриховыми линиями, чтобы они были виднее для тех, кто еще не привык к подобному изображению. Опыт показывает, что люди очень быстро начинают видеть их, и когда мы раздаем неотмеченные штриховыми линиями ССП-разрезы, то все отмечают одни и те же объекты, и разночтения почти не бывает.
     Бывает так, что образующие V-образного объекта разнесены на некоторое расстояние, а бывает, что на ССП-разрезе прорисовывается только одна образующая или несколько параллельных образующих, подобных тому, как это показано на рис.4. Участок ССП-разреза, изображенный на этом рисунке, получен при профилировании также в геологических условиях полигона "Красный Бор".

Рис. 4

     Исходная причина формирования ЗТН и, соответственно, V-образного объекта - глубинная. Но если V-образный объект прорисован до поверхности, то это значит, что влияние ЗТН в настоящий момент уже распространяется до самой поверхности.
     По нашим предположениям, V-образный объект прорисовывается на ССП-разрезе при разрывном тектоническом нарушении без смещения. В случае грабена возникает V-образный объект с разнесенными образующими. Наличие только одной образующей соответствует нарушению со смещением.
     С точки зрения физики, которая лежит в основе метода ССП, любой рисунок на ССП-разрезе, и в том числе, воронкообразный объект или одна его составляющая, возникают в том случае, когда на соседних точках профиля отдельные гармонические составляющие имеют повышенную добротность. Добротность гармонического сигнала (или отдельной его гармонической составляющей) показывает, насколько быстро затухает эта составляющая. Чем медленнее происходит затухание, тем добротность выше. Добротность гармонической составляющей Q может быть определена как при временнóм изображении сигнала, так и при спектральном. Это иллюстрируется с помощью рис.5.

Схема перехода временное изображение сигнала - спектральное - разрез

Рис. 5

     Сигнал, изображенный на рис.5а, описывается следующим выражением:

,     (2)

где - коэффициент затухания:

- коэффициент затухания, приведенный к периоду, и называемый декрементом затухания.

     На рис.5b - спектральное изображение этого сигнала. Частоту гармонического сигнала f₀, как видим, при спектральном его изображении определить гораздо проще - просто по местонахождению экстремума. Рисунки 5b и 5c по информативности абсолютно идентичны. Различие их состоит только в том, что на рис.5с ось частот дополнена осью глубин, в соответствии с формулой (1), и спектральное изображение сигнала повернуто на 90^o, чтобы ось глубин была вертикальна, как ей положено на геологических разрезах. Кроме того, спектральное изображение сигнала искусственно, штриховкой дополнено до симметричной картины. Частота штриховки определяется тем, с каким дискретом просматриваются глубины. Мы стараемся просматривать строение земной толщи с таким дискретом, чтобы штриховка была не видна. Как на всех предыдущих рисунках.
     В соответствии с рис.5, добротность может быть определена следующими способами:

,     (3)

     Определить добротность по временнóму изображению и по соотношению (3b) можно лишь в том случае, если гармоническая составляющая одна-единственная. В реальности такого практически не бывает. Сейсмосигнал обычно состоит из нескольких гармонических составляющих, и единственная возможность определить добротность - это использовать соотношение (3,с). Больший раздув на вертикальной оси означает бóльшую величину добротности данной конкретной гармонической составляющей в данной точке (N-S; E-W) измерений.

     Таким образом, первое свойство зон тектонических нарушений (ЗТН) заключается в том, что при пересечении их профилем на ССП-разрезе прорисовывается либо воронкообразный объект, либо одна его составляющая.
     Как показывает опыт картирования ЗТН, они, как правило, являются удлиненными структурами. Если в пределах площади картирования встречается несколько ЗТН, то чаще всего, они оказываются примерно параллельными друг другу. Но бывает и так, что они пересекают друг друга. В точках пересечения ЗТН свойства их (которые мы будем рассматривать далее) усиливаются.

2. О рыхлости пород в зонах тектонического нарушения

     Рыхлость пород в ЗТН - проявляется, в частности, при попадании разведочной скважины в зону тектонического нарушения.
     Геологи иногда встречаются с одной довольно необычной, на взгляд общепринятой геологии, ситуацией. Она заключается в том, что при керновом бурении бывает так, что материал идет настолько разрушенный, что керна, в общем-то, и не взять. Вместе с тем, согласно существующим нормам, потери керна не должны быть больше, чем 40%. Если потери керна оказываются больше, то у буровиков будут неприятности. Считается, что у квалифицированных буровиков больших потерь керна быть не может. Поэтому факт увеличения потерь керна принято скрывать. Обычно это делают, принося куски керна с соседних, уже задокументированных скважин. Естественно, что информацию в геологическом журнале приходится искажать в соответствии со строением этих, принесенных от других скважин, кусков керна.
     Замечено еще, что в подобных случаях сопротивление буровому инструменту с глубиной не увеличивается. Более того, инструмент может даже проваливаться. Причем на очень значительных глубинах.
     Когда в результате возникновения метода ССП стало возможным выявлять ЗТН, оказалось, что именно в этих зонах и происходят повышенные потери керна. Причины этому следующие.
     Состояние осадочных пород, закрывающих собой тектонические нарушения, разительно отличается от состояния тех пород, которые залегают на нетрещиноватом кристаллическом фундаменте. Обычно осадочные породы, залегающие на прочном, нетрещиноватом основании, уплотняются и упрочняются при увеличении мощности осадочного чехла. То есть, по мере увеличения давления. В зонах же тектонических нарушений осадочные породы, лежащие на трещиноватом кристаллическом фундаменте, под действием давления со стороны вышележащих пород, разрушаются и залечивают собой эту трещиноватость.
     В процесс залечивания нарушенности кристаллических пород вовлекается весь столб осадочных пород, находящихся непосредственно над тектоническим нарушением. Этот процесс заключается в микроперемещениях породных частиц сверху вниз. Вследствие этого осадочные породы, находящиеся над тектоническим нарушением, не слеживаются, не уплотняются и не упрочняются. В них возможны даже пустоты. Именно поэтому при разведочном бурении в этих породах керн взять невозможно.
     Осадочные породы в ЗТН, строго говоря, не являются твердыми средами. Их нельзя исследовать в соответствии с требованиями строительной науки - на прочность, на угол внутреннего трения. В некоторых случаях они ведут себя как тиксотропные среды. Есть еще такое понятие как твердые жидкости. Мне представляется это наиболее удобным определением для характеристики осадочных пород в ЗТН. По крайней мере, пока не существует серьезных исследований свойств горных пород в ЗТН.
     Одной из особенностей осадочных пород, закрывающих собой тектонические нарушения в кристаллических породах, является то, что ширина ЗТН не зависит от мощности осадочного чехла. То есть, если ширина зоны блочной нарушенности в кристаллических породах составляет L метров, то именно столько же, L метров, будет составлять ширина ЗТН на дневной поверхности при любой мощности осадочного чехла. Так, например, при работе под Оренбургом мы встречали ЗТН, шириной 6м. Трудно представить себе, что это соответствует тому, что на глубине 5 км в кристаллических породах ширина тектонического нарушения также 6м. Но тем не менее, так оно и обстоит. Это обусловлено отсутствием в горных породах упругих деформаций, о чем речь впереди (в разделе 13)

2-а. Замечания об инженерно-геологических изысканиях

     Механические и прочностные характеристики горных пород вообще и грунта в частности, являются объектом особого внимания при инженерно-геологических изысканиях. Проведение инженерно-геологических изысканий является обязательным перед любым строительством. Да это ведь и понятно. Грунт является основанием для фундамента будущего здания, и от того, насколько однородна несущая способность грунта, будет зависеть судьба возводимого объекта.
     Однако если посмотреть на фактическую сторону этой проблемы, то возникает множество вопросов. Во-первых, инженерно-геологические изыскания если и проводятся, то чисто формально. Так, они могут представлять собой бурение буквально одной-двух скважин даже для значительных по площади строительных объектов. Естественно, распространять на всю площадь результаты таких исследований нельзя. Далее, результаты изысканий никогда не влияют на архитектурный замысел. И, более того, зачастую они осуществляются уже после завершения проекта, а то и после начала строительства. Так, например, нам были заказаны изыскания по кольцевой автодороге вокруг С-Петербурга, когда уже шла ее отсыпка.
     Кроме того, как оказалось, зачастую изыскания не проводятся вовсе. Изыскательские организации могут дать разрешение на строительство, имея информацию о бурении не просто вне территории строительной площадки, но даже не слишком от нее близко.
     Не будем обвинять изыскателей в чересчур формальном подходе к своим обязанностям, а посмотрим с другой стороны. Как показывает практика, судьба сооружения, вероятность его преждевременного обрушения - никак не связаны с результатами инженерно-геологических изысканий. А стало быть, чисто по-человечески, ну зачем тратить усилия на совершенно бессмысленную работу?.. И поэтому сейчас на инженерно-геологические изыскания возлагается только одна нагрузка - избавить строителей от ответственности при внезапном разрушении возводимого сооружения.
     С приходом в практику метода ССП стало очевидным, что учет информации, получаемой с его помощью, имеет огромное значение при проектировании и строительстве любых объектов. Понятно, что обнаружение на стройплощадке участка с пониженной несущей способностью грунта должно послужить основанием к тому, чтобы применить соответствующее техническое решение. Так, например, когда при изысканиях на Конюшенной площади (СПб) в 1998 г мы обнаружили, что участки, предназначенные для установки опор предполагавшегося там подземного гаража, угодили в ЗТН, и информировали об этом заказчика, то строительство было отложено до тех времен, когда будут разработаны соответствующие приемы.

3. О месторождениях воды в зонах тектонических нарушений

     Поиск месторождений воды является одной из важнейших в геологии задач.
     При ознакомлении с проблемой поисков воды, мы вначале, естественно, консультировались с гидрогеологами. Согласно их информации, водоносные горизонты, в общем виде, залегают горизонтально, размещаясь в водопроницаемых породах - песках, песчаниках… Известен целый ряд стабильных водоносных структур. Например, Гдовский горизонт, Ломоносовский горизонт.
     Однако наблюдение за бурением показало несколько иное.
     Как показал опыт, при наличии осадочного чехла, глубинную, напорную воду можно получить только если скважина попала в ЗТН. Нам известны случаи, когда при бурении вне этих зон воды не было, несмотря на то, что скважина проходила сквозь закартированные гидрогеологами водоносные горизонты и достигала гранита. Из этих фактов был сделан вывод о том, что водоносные структуры в осадочном чехле не горизонтальны, а вертикальны, и соответствуют они породным вертикальным структурам повышенной проницаемости, сформированными в ЗТН.
     Разумеется, эти вертикально ориентированные водонапорные структуры могут питать проницаемые участки пород, в результате чего формируются разного рода ответвления и так называемые линзы.
     В гранитах месторождения воды залегают в зонах трещиноватости, которые без труда выявляются методом ССП. Это так называемые трещинные месторождения воды.
     Известны случаи, когда скважины, пробуренные в граните вне тектонического нарушения, при дальнейшем заглублении все же могут дать воду. Это происходит потому, что в кристаллических породах трещины могут быть сориентированы как угодно, и скважина может попасть в трещину даже если идет по ненарушенному тектоникой граниту. Для подтверждения этой модели отметим, что если даже глубокая скважина воду не дает, то если сделать в забое скважины взрыв, то вода может и пойти. То есть, если скважина оказалась невдалеке от водоносной трещины, то образованные взрывом трещины могут соединить скважину с месторождением воды.
     И несколько слов о свойствах глубинной воды. Судя по составу добываемой из трещин в кристаллическом фундаменте воды, она находится там в большом количестве и, скорее всего, в движении. При сравнительно небольших расстояниях между скважинами, состав воды может изменяться в очень широких пределах. В одном случае, вода содержала фтор в количествах, многократно превышающих допустимые. В некоторых случаях она была резко соленой, причем состав соли очень различался. Это значит, что глубинная вода омывает, возможно, какие-то месторождения. О характере этих месторождений можно было бы, я полагаю, судить по составу добываемой воды.
     В период с 1993-го года и по сей день (2004 год) мы периодически осуществляем поиск ЗТН для того, чтобы, пробурив там скважину, дать людям воду. Эти работы осуществлялись в Ленинградской, Московской и Смоленской областях. И ни разу не было осечки. Глубинная вода в этих зонах появлялась неизбежно. Подобные работы осуществляются в Екатеринбургской области, и там также всюду в ЗТН при бурении появляется вода. Здесь нужно учесть, что обычно при бурении, которому предшествует не использование метода ССП, а в лучшем случае, изыскательская работа лозоискателей, воду, в среднем, дает только каждая 4-я скважина.
     Я, в общем-то, ожидал, что могут быть на Земле такие места, где ЗТН не является каналом к месторождению воды. И вот, в 2004 году мне такой случай встретился в Башкирии, в Зауралье, в зоне с координатами N52^o24,472', Е58^o47,810'. Там силами организации "Башгипроводхоз" на базе реки Сосновка был создан пруд. Длиной около 1 км и шириной около 300 м, он должен был обеспечить потребности близлежащих поселков в воде. Однако пруд, наполнявшийся разлившейся весной рекой, буквально за две недели после этого оказывается совершенно сухим. Естественно, возник вопрос - куда девается вода?
     В результате проведения профилей ССП по дну высохшего пруда удалось установить, что в самой низкой части дна, в непосредственной близости от запруды имеется несколько ЗТН. В некоторых из них наблюдаются провалы, а в некоторых провалах - промоины в виде как бы земляных бездонных ходов диаметром от 1 до 2 метров. Анализ ситуации показал следующее:

1. Всасывание воды грунтом происходит в зонах повышенной фильтрации. Зоны повышенной фильтрации приурочены к ЗТН, местонахождение которых выявляется методом ССП.
2. В наиболее влияющих ЗТН образуются провалы, внутри которых могут находиться промоины. Это на самом деле своеобразные трубы или, если угодно, водоводы, через которые вода беспрепятственно проходит куда-то на огромные глубины. Я думаю, что именно такие промоины в "преисподнюю" должны восприниматься на реках как водовороты.
3. Образование провалов и промоин усиливается наличием динамического воздействия, которое возникает при переменном изменении давления на грунт (уходе-приходе воды).
4. Если я правильно понимаю этот процесс, уход воды из пруда с каждым годом должен ускоряться. Потому что количество промоин каждый год должно увеличиваться, а также должны увеличиваться каждый год сечения этих водоводов.
5. Таким образом, имеется суммарный эффект - утекание через промоины и просачивание через ЗТН, выявленные на дне около плотины.

     Работа эта проводилась для того, чтобы найти решение задачи удержания воды в пруде. В результате того, что удалось установить механизм ухода воды, путь решения этой задачи стал очевиден.
     Для того, чтобы не дать воде уходить из пруда, следует исключить контакты с водой участков дна, в которых есть провалы. Для этого зоны провалов следует оконтурить, и на их месте, с некоторым запасом, насыпать холмы, которые при полной воде должны выглядеть как острова. Материал этих островов должен быть как-то армирован, укреплен, чтобы он не утек в промоины. Понятно, что острова эти должны быть укреплены корнями посаженных там деревьев.
     Есть основания полагать, что проверка этой идеи будет осуществлена в 2005 году.
     Для нас же решение этой проблемы имеет еще и тот смысл, что были обнаружены ЗТН, которые являются не источником, а поглотителем воды.
     По-видимому, для разбраковки ЗТН на источники и поглотители, метод ССП следует дополнять электроразведочными исследованиями, с помощью которых в некоторых случаях можно отличить сухие структуры от ЗТН, содержащих воду.

4. О некоторых следствиях повышенной проницаемости пород в зонах тектонических нарушений

     Рыхлость осадочных пород в ЗТН обеспечивает проницаемость их при реализации артезианских скважин. А также, как мы теперь узнали, уход воды из разного рода водоемов. Однако, как оказалось, это только одна сторона вопроса. Повышенная проницаемость пород в ЗТН имеет также и другие следствия.
     Наряду с движением глубинных напорных вод (если они есть) к поверхности, по этим проницаемым породам мигрируют также и другие жидкости и газы. Так, в эти зоны уходит с поверхности дождевая и талая вода. Однако наряду с этими природными процессами, происходит проникновение сверху вниз жидких фракций различных отходов. Например, замечено, что на некоторых дачных участках особенно хорошо уходят в землю жидкие фракции разного рода отхожих мест. А это значит, на самом деле, что отхожее место оказалось в ЗТН, и практически неизбежным будет перемешивание чистой глубинной, природной воды с заражающей жидкостью.
     При организации разного рода хранилищ, если в пределах их территории есть ЗТН, появляется путь для миграции того, что из каких-то соображений должно было бы сохраняться в выделенном для этого объеме. Подробнее об этом будет рассказано в разделе 12.
     Кроме того, как оказалось, является весьма серьезным фактором миграция газов из земных недр. Выход глубинных газов на поверхность является, с одной стороны, средством индикации наличия ЗТН, а с другой, формирует геопатогенные зоны.

5. О геопатогенных зонах

     Известно, что есть на Земле такие места, где наблюдается повышенная статистика заболеваемости людей. Исходя из предположения, что источник губительного воздействия находится где-то в недрах Земли, эти места назвали геопатогенными зонами. Как именно воздействуют эти зоны на нас, точно неизвестно, и гипотез по этому поводу существует предостаточно. Единственное известное нам научное, и достаточно объективное исследование геопатогенных зон было осуществлено Мельниковым Е.К. и Рудником В.А. [4].
     Прежде всего, авторами этой работы был осуществлен сравнительный анализ заболеваемости в нескольких домах по Гражданскому проспекту (СПб). Этот анализ осуществлялся силами медсестер, работающих в регистратуре поликлиники, к которой относится эта интересовавшая их зона. Действительно, как оказалось, в некоторых буквально соседних подъездах наблюдается очень существенное различие по средней длительности жизни и по количеству тяжелых заболеваний. В данном случае, различие было в заболеваемости онкологическими болезнями и ишемией сердца. Затем Мельников - действительно очень сильный экстрасенс - определил, что там, где имеет место повышенная заболеваемость, около дома наблюдается особо сильное отклонение рамки. Далее, были привлечены ботаники, которые установили, что виды растительности на газонах имеют существенное различие там, где заболеваемость повышенная, и там, где заболеваемость не выходит за пределы среднего общегородского фона.
     После того как была выпущена работа [4], авторы привлекли метод ССП. Это был период, когда мы для себя выясняли, какие же объекты выявляются этим методом. Оказалось, что местонахождение геопатогенных зон соответствует местонахождению ЗТН. Исходя из того, что в ЗТН выходят глубинные газообразные субстанции, мы высказали гипотезу, заключающуюся в том, что именно этим и обусловлено болезнетворное воздействие ЗТН. Среди газов, выделяющихся из земных недр, обычно называют радон, углекислый газ, метан.
     Однако на самом деле, этих газообразных веществ гораздо больше, и состав их в различных местах неодинаков. Также неодинаково и воздействие геопатогенных зон. Известны места, где наблюдается резкое увеличение вполне конкретных, и при этом различных заболеваний. Так, есть ряд домов на Дачном проспекте (СПб), на которые сами медики указывают как на зону, аномальную по уровню аллергических заболеваний. Очень интересен случай, имеющий место в Екатеринбурге. Там на весь город имеется четыре случая одной редчайшей разновидности болезни Дауна, и при этом три из них - в одном и том же доме.
     Здесь прорисовывается новое и весьма интересное научное направление - установление зависимостей между составом атмосферы и самочувствием людей.
     Естественно, что никому из нас не хочется жить в таких зонах. И именно в связи с высокой заинтересованностью населения, геопатогенные зоны являются одной из самых спекулятивных тем, они позволяют зарабатывать на наших страхах одной из самых респектабельных разновидностей жуликов. Кого мы среди них только ни увидим. Кроме неизбежных как бы экстрасенсов, здесь можно встретить даже некую профессуру. Одного из них петербуржцы без труда узнают, прочтя мою статью о геопатогенных зонах, размещенную на сайте [5]. При околонаучных беседах на эту тему неизбежно упоминается некая сетка Хартмана, о физике которой мне узнать не удалось. Аппаратура, предлагаемая в качестве индикационной для картирования геопатогенных зон, представляет собой обычные усилители с открытым входом. Как обычные электрические наводки на такую аппаратуру могут быть увязаны с геопатогенными зонами, мне непонятно, а в совместных экспериментах эти господа участвовать отказываются.
     Может быть, даже следовало бы создать некий центр по изучению геопатогенных зон, хотя бы уж для того, чтобы как-то отделить откровенных жуликов от тех, кто действительно испытывает интерес к этой проблеме.
     Мы не имеем возможности вести учет зависимостей между наличием ЗТН под жилым домом и заболеваемостью жителей этого дома. Однако навскидку, эта зависимость просматривается. В домах, которые разрушаются под воздействием ЗТН, очень бросается в глаза большое количество тяжело больных людей, и особенно, на первом этаже, где концентрация газов, вышедших из недр земли, наибольшая.
     Наиболее ощутимо воздействие геопатогенных зон в загородных домах, в коттеджах. Чтобы противостоять этой угрозе здоровью, следует, во-первых, не строить эти дома в геопатогенных зонах. А во-вторых, если дом, оказавшийся в геопатогенной зоне, уже эксплуатируется, следует особое внимание обратить на то, чтобы усиленно вентилировался подвал.
     Я пытался привлечь к этой проблеме всех известных мне экологов, ученых-медиков и биологов, но к сожалению, заинтересовать пока никого не смог

6. Механизм изменения во времени несущей способности грунта в зонах тектонического нарушения

     Осадочные породы, находящиеся над тектоническим нарушением, разрушаются под воздействием двух факторов - с одной стороны, эти породы покоятся на трещиноватом, податливом основании, а с другой, на них сверху давит породная толща. Понятно, что для приповерхностных пород (которые называют также и грунтами) второй фактор отсутствует. Поэтому в ЗТН приповерхностные породные слои могут оказаться достаточно прочными. То есть, по мере увеличения мощности осадочного чехла состояние повышенной микронарушенности поднимается снизу вверх, не достигая поверхности.
     В случае ведения в зоне тектонического нарушения строительных работ, воздействие строительной техники, а затем и возведенного сооружения эквивалентно увеличению мощности осадочных пород. Это приводит к тому, что состояние повышенной микронарушенности поднимается снизу вверх, вплоть до того, что выходит на поверхность. При этом грунт, казавшийся перед началом строительных работ достаточно прочным, увеличивает свою податливость. Или, иначе говоря, уменьшает свою несущую способность.
     В Мире известно очень много случаев, когда построенный по всем правилам дом вдруг, ни с того ни с сего, либо наклоняется, либо разрушается. При повторном исследовании грунта оказывается, что за время строительства он резко снизил свою несущую способность по сравнению с тем, что было получено при первых, еще до строительства, инженерно-геологических изысканиях. Причина такого явления до сих пор оставалась неизвестной. И в результате, наказанию подвергались люди, совершенно невиновные в происшедшей аварии. Их обычно обвиняют в недобросовестном исследовании грунта перед строительством.
     Совершенно классическая и хрестоматийная, описанная в учебниках по строительному делу, история о разрушении Трансконского (Канада) элеватора в 1913 году. Только что построенный, он в течение 23 часов буквально лег набок. Под тем его углом, который ушел в грунт на 8 м, оказался не прочный сухой суглинок, как о том свидетельствовали результаты инженерно-геологических изысканий, выполненные перед строительством, а водонасыщенная разжиженная глина. Причину этого преобразования грунта можно понять, если внимательнее посмотреть на геологический разрез в этом месте.
     Для того места, где находился Трансконский элеватор, характерно залегание карбонатных пород. И именно там, под этим элеватором, кровля карбонатных пород находилась на глубине 20 м. Так вот, различие в свойствах пород до и после аварии заключалось не только в том, что твердые глинистые породы стали жидкими, но и в том, что карбонатные породы, выявленные перед строительством на глубинах, превышающих 20 м, после аварии отсутствовали.
     В многочисленных статьях, посвященных этой аварии, допускалось, что известняк мог оказаться выщелоченным в результате процесса карстообразования. Однако допустить какое-то влияние находящегося на глубинах, превышающих 15м, геологического объекта на состояние сооружения, было невозможно.
     Согласно основам строительной науки, глубина, на которую распространяется влияние инженерного сооружения, не превышает 10-15 м. Логика здесь следующая. Прогиб породного слоя под воздействием инженерного сооружения тем меньше, чем больше толщина этого слоя. И 10-15-метровый породный слой прогибается столь незначительно, что с этим можно уже не считаться. А поскольку на породы, находящиеся на бóльших глубинах, сооружение не оказывает воздействия, то и со стороны геологических объектов, находящихся на бóльших глубинах, не должно быть воздействия на инженерное сооружение.
     Считается, что эта точка зрения подтверждается моделированием. Однако, как оказалось, свойства материалов, на которых проводится моделирование, и свойства горных пород кардинально различаются. Для моделирования используют такие твердые среды, которые обладают упругостью. Это металлы, стекло, оргстекло... Породные же слои упругостью не обладают, и разного рода изгибы их - это следствие не упругой деформации, а накопления микронарушенности. Поэтому с глубиной влияние инженерных сооружений на горные породы не ослабевает. Так же точно, как не ослабевает влияние тектонического нарушения на инженерное сооружение, какова бы ни была мощность осадочного чехла.
     Что же касается самой карбонатной толщи, то на какой бы глубине не находилась известняковая плита, влияние на нее строительных работ и самого сооружения в ЗТН вызовет ее разрушение, и проникающая снизу вверх по возникшим трещинам вода в случае ее кислотного характера вызовет карстообразование. Можно сказать, что это техногенное карстообразование. Ну, а далее, эта жидкость, будучи напорной, размягчает и находящиеся выше известняка глины, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Одним из которых, в частности, является потеря несущей способности основания, на котором стоял Трансконский элеватор.
     Скорость уменьшения несущей способности грунта зависит от целого ряда причин. В первую очередь, это параметры тектонического нарушения. Чем выше добротность гармонических составляющих, составляющих V-образный объект, и чем круче образующие этого объекта, тем стремительнее идет уменьшение несущей способности грунта. Бывает даже так, что разрушение инженерного сооружения начинается прямо в момент начала его строительства. Так, мы наблюдали, как стены строящегося дома начинают расходиться еще до того как дом подведен под крышу.
     Кстати, очистные сооружения в Ольгино (СПб) начали разрушаться тоже с самого начала их строительства.
     А в некоторых случаях, воздействие ЗТН на инженерное сооружение настолько незначительно, что приводит лишь к несущественному сокращению срока его службы.
     Изменение несущей способности грунта во времени в сторону ее уменьшения в ЗТН радикальным образом изменяет условия эксплуатации сооружений. В результате этого явления возникают аварийные ситуации, причины которых остаются неизвестными. В приложении дается подборка таких аварийных ситуаций.
     Заблаговременный учет этого фактора, который стал возможным в результате возникновения метода ССП, мог бы уменьшить количество разрушений и аварий, причины которых до сих пор были неизвестными.

6-а. Влияние зон тектонического нарушения на инженерные сооружения

     Согласно сложившейся практике, наименьшее внимание при строительстве уделяется характеристикам грунта. Об этом уже говорилось в разделе 2-а. Но тема настолько важная и неподъемная в смысле инерции нашего мышления и восприятия, что я считаю нужным подойти к ней еще раз.
     При расчете инженерных сооружений априорно считается, что несущая способность грунта одинакова по всей площади фундамента и постоянна во времени. Причина такого отношения к свойствам грунта заключается в том, что раньше такие явления как воздействие ЗТН, были неизвестны.
     На практике, после завершения строительства, как правило, дом давал осадку. Обычно, не очень равномерную. Поэтому раньше даже была практика не завершать строительство и отделку сразу, а возведенный корпус дома, подведенный под крышу, некоторое время не трогать. А уже затем, после основной усадки, завершать строительство и заселять.
     Сейчас, в результате обнаружения и изучения свойств ЗТН, мы видим, что процесс влияния этих зон на сооружения несколько отличается от того, как это представлялось ранее.
     Если под домом проходит ЗТН, то действительно в этом месте после возведения дома начнется некоторое опускание фундамента. В принципе, если бы эта опускающаяся часть фундамента не была бы скреплена с остальным фундаментом, то опускание ее шло бы непрерывно. Может быть, с ускорением, может быть, равномерно. Это зависело бы от параметров ЗТН. Но поскольку на опускающуюся часть фундамента (попавшую в ЗТН) действуют два фактора - влияние зоны пониженной несущей способности и удерживание остальной частью фундамента, то, возможно, опускание прекратится, и эта часть как бы зависнет на остальной части дома. В большинстве случаев так и бывает. А в остальных, в меньшинстве случаев, опускание продолжается, опускающаяся часть дома тащит за собой весь остальной дом, и идет разрушение всего сооружения.
     В качестве примеров можно привести судьбы дома Румянцевых (СПб, Английская наб. 44). Дом этот был построен в конце XVIII века, в 1802 г он был куплен канцлером Н.П. Румянцевым, а в 1826 году к нему был пристроен эркер. Так сложилось, что стена дома, выходящая к Неве, оказалась на самом краю с ЗТН, а эркер попал в эту зону. В результате, он стал погружаться в грунт.
     Чтобы этот процесс остановить, эркер прикрепили анкерами к стене дома. Однако опускание эркера не прекратилось, а даже более того, он увлек за собой также и стену, которая начала отрываться от дома. При этом снаружи стали разрушаться колонны, да и внутри дома разрушения оказались довольно серьезные. В 1987 году для поддержания дома Румянцева, была применена известная технология, использующая в качестве опоры буронабивные сваи. Однако сваи попали в ЗТН, и вместо того чтобы поддерживать эркер, они утяжелили всю конструкцию, и погружение ее продолжилось.
     В 1997 году повторно были установлены буронабивные сваи. На этот раз, сваи, видимо, попали в породный массив, находящийся вне ЗТН. Во всяком случае, скорость разрушения объекта уменьшилась.
     В большинстве случаев, дом, частично оказавшийся в ЗТН, разрушается очень медленно. Можно даже сказать, что он находится в состоянии неустойчивого равновесия, которое может быть нарушенным любым внешним воздействием. Этим воздействием может оказаться какая-либо реконструкция дома. Например, увеличение этажности.
     Наиболее частым таким воздействием являются строительные работы вблизи дома. Воздействие на ЗТН, являющуюся продолжением зоны, проходящей под домом, вызывает ускоренный подъем состояния повышенной трещиноватости по всей зоне, и в результате, нарушается равновесие того дома, который уже достаточно давно находится в эксплуатации.
     Наиболее острый возникает вариант, когда согласно с ЗТН залегают плывуны. Это будет рассмотрено в разделе 8.

7. Русла рек, ручьев и болота

     Предположения о том, что русла рек и ручьев образуются не где угодно, а только в тех местах, где грунт наиболее легко размывается, произносились неоднократно и многими учеными. Однако было неясно, с какой стати в каких-то местах породы обладают повышенной рыхлостью. Сейчас, по мере приобретения опыта применения метода ССП, мы можем сказать с уверенностью, что причиной повышенной рыхлости пород является наличие ЗТН. Разумеется, не все ЗТН являются руслами ручьев и рек. Но можно уже сказать с уверенностью, что все русла обязательно находятся в ЗТН.
     Первое, что мы заметили, это то, что при пересечении профилем засыпанного ручья, на ССП-разрезе обязательно прорисовывается V-образный объект. Надо учесть, что при проведении работ в городских условиях, мы почти никогда не имеем информации о том, что раньше там был ручей. Это уже потом, при общении со старожилами, это становится известным. Так что нам давно уже стало ясно, что ручьи возникают именно в ЗТН.
     Кстати, интересно, что по наблюдению людей, далеких от строительной науки, если дом стоит на месте, где раньше был ручей, это неизбежно приведет к повышенной его осадке в этом самом месте. Строители же убеждены, что это не так. К сожалению, как инженерам-строителям, так и инженерным геологам в течение всего курса их обучения в институте вдалбливается, что строить можно везде, и что нет такого грунта, который нельзя было бы укрепить. И никакие доводы не могут ослабить такое вот тупое влияние Школы.
     Для формирования болота необходимо два условия - это хроническое проседание поверхности и наличие обводненности. Наличие болота обусловлено глубинными причинами, и наши измерения многократно это доказывали. И когда строители снимают торф и укрепляют грунт сваями, они этим осуществляют лишь косметическую обработку.
     Часто бывает так, что ЗТН обусловлена не одной трещиной в кристаллическом фундаменте, а множеством трещин. При этом, если только небольшая часть площади ЗТН занята руслом ручья или речки, то остальная площадь заболачивается. Это очень часто так бывает, когда пойма реки представляет собой заболоченную местность.
     Вот сколько уже нами обследовано объектов, возведенных на месте болота, и мы не можем назвать ни одного благополучного инженерного сооружения. Ну, в конце концов, пусть строителям неизвестен механизм влияния ранее заболоченных территорий на ИС (а особенно, производственные, где стоят вибрирующие механизмы). Но как же можно не считаться с опытом, со статистикой...
     Мы пытались привести всякие доводы при обсуждении результатов наших обследований на территории тогда еще строившейся Северо-Западной СПб ГРЭС. Дело в том, что машинный зал первой очереди этой станции оказался на пересечении трех тектонических нарушений, и то, что он обречен на периодические аварии - не вызывает сомнений. Однако и для второй очереди машинный зал собирались возводить на болоте.
     К сожалению, делом чести руководства этого предприятия является сокрытие разного рода аварийных ситуаций. Так что вряд ли мы узнаем, что там действительно происходит. Но по нашим представлениям, безаварийной работы там быть не должно.

Рис. 6

     На рис.6 показан ССП-разрез, полученный при профилировании поперек реки Караболки (Челябинская обл.) Правый берег реки болотистый, а на левом - растет лес. Как видно из этого рисунка, геологическое строение по обоим берегам реки очень различается. На правом берегу прорисовались мощные V-образные структуры. Причем как глубинные, так и приповерхностные. Это все очень характерно для болот. На левом берегу таких структур нет. На левом берегу прорисована довольно четкая граница на очень малых глубинах - порядка 3 м. Как оказалось по материалам бурения, это таким образом отбилась кровля диабазов. На правом берегу таких границ нет. Это естественно, так как в ЗТН четких субгоризонтальных границ быть не может. Нет таких пород, которые сохранились бы в нетрещиноватом, неразбитом виде в ЗТН.
     Говоря о реках и прочих водных преградах, нельзя не упомянуть и мосты, с помощью которых эти преграды преодолеваются.
     Как давно замечено, при эксплуатации мостов чаще всего приходится ремонтировать какую-то одну опору. И если одна опора может стоять без ремонта многие года, то другая разрушается и проявляет признаки подвижности. Как оказалось, причина этого заключается в том, что рекообразующая ЗТН зачастую оказывается смещенной относительно середины русла, и в эту зону может попасть одна из опор. ССП-разрез, приведенный на рис.7, получен при профилировании поперек реки Славянка (СПб). Как видно, центр руслообразующей ЗТН смещен к самому южному берегу. Причем эта ЗТН в приповерхностной области проявляется на участке 160-200м профиля. Отчетливо видно, что если северная опора моста может находиться как угодно близко к реке, то южная не должна быть ближе к реке, чем 200-й метр профиля.

Рис. 7

     Эта наша точка зрения получила блестящее подтверждение. Дело в том, что стоящий там же, рядом с линией профиля, железнодорожный мост, построенный еще в конце XIX века, требует периодического ремонта именно южной опоры. Описанный профиль проводился в связи с "проектом века", имевшим название ВСМ (высокоскоростная магистраль СПб-Москва). Согласно этому проекту, ж/д полотно должно было проходить как раз в зоне профиля. Естественно, в отчете мы дали рекомендацию южную опору предполагаемого моста поставить на расстоянии 50 м от реки.

8. Плывуны

     Плывун - наиболее часто произносимое слово при ведении строительных работ в С-Петербурге и Ленинградской области и некоторых других районах. Природа плывунов, на сегодняшний день, неизвестна. По крайней мере, если судить по обилию гипотез по этому поводу. Существует даже гипотеза техногенного, грибкового их происхождения. Так, некоторыми учеными высказывается утверждение, заключающееся в том, что причиной формирования плывунов являются утечки нечистот из канализационных систем. Но против этого свидетельствует тот факт, что плывуны встречаются и в таких местах, где нет никаких следов человеческой деятельности.
     По своему проявлению плывун - это загерметизированный самой Природой объем, внутри которого находится под давлением водонасыщенный мельчайший песок, почти что ил. Наличие плывунов в значительной степени определяет характер взаимодействия инженерных сооружений с грунтом. Дом может стоять на плывуне и при этом не испытывать никаких неудобств. Неприятности начинаются, когда нарушается герметичность плывуна. Эффект при этом будет такой же, как если сидеть на надутой камере, которую вдруг кто-то проткнет.
     На ССП-разрезах плывуны прорисовываются замкнутыми ореолами. Как показывает опыт наших измерений, ореолы плывунов чаще всего располагаются на краю ЗТН.

ССП-разрез по профилю, проходящему по набережной Обводного Канала

Рис. 8

     На рис.8. приведен участок ССП-разреза, полученного при профилировании вдоль Обводного канала, вблизи дома N 48. Здесь помечены три ореола, соответствующих выявленной системе плывунов. Один из этих соединенных между собой плывунов находится под домом №48. В результате проведения работ, направленных на расширение набережной Обводного канала, содержимое этих плывунов стало выходить непосредственно в Обводный канал. Потерявший при этом опору дом N 48 довольно быстро стал оседать и разрушаться.
     Как было отмечено в разделе 6, состояние повышенной нарушенности горных пород в ходе строительных работ и под воздействием уже функционирующего сооружения поднимается наверх. Как оказалось, верхняя граница плывуна также поднимается. В результате, зачастую получается так, что верхняя граница плывуна за время эксплуатации дома оказывается настолько близко к поверхности, что малейшее проникновение в грунт, например, при ремонте коммуникаций (которые при прокладке находились еще вне плывуна), может вызвать выход плывуна.
     В условиях С-Петербурга, когда вероятность наличия плывуна достаточно велика, очень важно вести строительные работы так, чтобы не выпустить плывун, уходящий под дом. Это оказалось возможным соблюсти с помощью метода ССП. Поскольку плывуны контролируются зонами тектонических нарушений, то именно их и следует картировать. Эффективность такого прогноза влияния строительных работ на уже построенные дома проверялась многократно. Так, если под домом проходит ЗТН, то можно быть уверенным, что ведение строительных работ на продолжении этой зоны вызовет выпуск плывуна, находящегося под домом, и как следствие, развитие трещин в его несущих конструкциях.
     Последовательность событий здесь следующая. Сначала начинается выход воды в только что сделанном котловане. Бывает, что ее приходится откачивать чуть ли не годами. При этом происходит выпуск плывуна из-под соседнего со строительной площадкой дома. Сначала это проявляется тем, что начинают садиться (уходить в грунт) те части дома, которые находятся непосредственно над плывуном. При этом начинает развиваться микронарушенность грунта в этих местах, и сквозь него тоже начинает выходить плывун. Это проявляется обводнением подвалов. Иногда кажется, что поднимается почва в подвалах. Это не так - на самом деле, опускается дом. Ну, а дальше идет развитие трещин в несущих конструкциях дома в зависимости от его конструкции.
     В зависимости от конструкции дома и от того, как идет трещинообразование, будет идти его разрушение. Так, в результате выхода плывуна из-под южной секции четырехсекционного дома по адресу СПб, Двинская ул. д. 8 корп. 3, эта секция потеряла опору и отвалилась. В результате этого обрушения (в июле 2002 года) погибло 4 человека.
     В результате ведения строительства на продолжении ЗТН, проходящих под домами NN10 и 12 по ул. Манчестерской, СПб, все ограничилось лишь трещинообразованием в их стенах, и обрушения этих домов, вроде бы, не ожидается. Однако домам этим был нанесен вред, причем о влиянии этого строительства на дома строители были предупреждены заранее, еще до начала строительных работ. И только из-за несовершенства нашего законодательства строители избежали судебного преследования.
     А вот одним из следствий при строительстве дома в парке им. Сахарова (СПб) стал наклон находящегося рядом со строительной площадкой точечного дома. Чем это завершится, пока неясно.
     На самом деле, примеров влияния плывунов, выпущенных из-за нерадивости строителей, очень много. Здесь и яма около Московского вокзала, и дом Перцева, и дома на Невском и на Колокольной ул. ... Не вызывает ни малейших сомнений, что если руководство нашего города когда-нибудь заинтересуется качеством строительства домов и тем, чтобы не разрушались дома, проблема влияния плывунов на инженерные сооружения будет рассмотрена с должным вниманием.

 

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.

---

³ Главный стакан аэрации представляет собой вертикальный цилиндр, зарытый в землю заподлицо. Высота стакана 60 м, диаметр – 70 м. Толщина стенок достигает 8 м.

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.

 

13. О надежности подземных сооружений

     Подземные сооружения находятся в особых условиях. С одной стороны, как и все сооружения, они опираются на грунт (правильнее в данном случае говорить - на горные породы), а с другой стороны, на них сверху оказывается давление со стороны вышележащих пород. Надо сказать, что в горном деле принято рассматривать только давление сверху, со стороны залегающих над сооружением пород. При этом, как решающий фактор, упоминаются такие понятия как горное давление и напряженное состояние.
     В соответствии с существующей практикой, все подземные сооружения рано или поздно раздавливаются горными породами, и важнейшей проблемой является создание методик, позволяющих это прогнозировать. Однако за исключением упомянутой во Введении методики прогнозирования обрушения пород кровли в угольных шахтах "Резонанс", успехи в решении этой проблемы, на сегодняшний день, прямо скажем, отсутствуют. На мой взгляд, причина этого кроется в следующем.
     Во главе всех разработок при создании методик прогнозирования надежности подземных сооружений стоит проблема измерения горного давления. Как и напряженное состояние - горное давление есть не что иное как просто давление. В твердых средах давление является не скалярной (как в жидкостях и в газах), а векторной (точнее, тензорной) величиной. Однако главное заключается в том, что давление в твердых средах не является измеряемой субстанцией. Датчик давления в твердых средах пока еще не создан, и о величине его судят по результатам измерений смещения определенных, реперных точек, с последующим пересчетом измеренных величин в давление.
     Пересчет деформации в давление осуществляется очень просто, с учетом закона Гука. Однако делать это таким образом правомерно только для упругих сред. Горные же породы не являются упругими средами. Доказательство этого было приведено в работах [8, 9]. Поскольку такой подход противоречит общепринятым взглядам, считаю необходимым привести некоторые аргументы.
     В качестве иллюстрации наличия либо отсутствия упругих свойств приведем следующий физический эффект. Если стальную плиту, находящуюся в горизонтальном положении и закрепленную на двух опорах у ее краев, нагрузить в середине, то она прогнется. Если нагрузка не превышает предела упругости, то при освобождении от нее (от нагрузки) плита распрямится. Связи между величиной прогиба, величиной нагрузки, толщиной плиты и упругими свойствами известны из теории упругости, которая как раз и возникла для описания таких сред как металлы.
     Теперь возьмем плиту из горной породы. При точно таком же ее нагружении также будет происходить ее прогиб. Однако в отличие от описанного случая нагружения стальной плиты, породная плита после снятия нагрузки не распрямится. И более того, с увеличением времени нагружения прогиб породной плиты будет увеличиваться. Дело в том, что если металлическая плита прогибалась вследствие своих упругих свойств, то прогиб породной плиты происходит за счет накопления микронарушенности⁴.
     Придя к выводу, что горные породы не подлежат рассмотрению с позиций теории упругости, мы уже, получается, не имеем права оперировать такими параметрами как горное давление и напряженное состояние. И сразу, надо сказать, как гора с плеч. Потому что нельзя в физике оперировать параметрами и характеристиками, не подлежащими метрологически корректным измерениям.
     В условиях слоистого массива горных пород (типа угленосной толщи при пологом залегании поверхностей напластования), вне ЗТН, давление на подземную выработку определяется строением пород кровли. Рассмотрим это на примере штрека в угольной шахте:
     При проходке штрека кровля, опиравшаяся раньше, до проходки, на угольный пласт, опору частично теряет. Она теперь опирается на оставшийся угольный пласт по бокам выработки и непосредственно на крепь выработки. Если кровля сложена достаточно мощным (относительно ширины штрека) слоем весьма прочной породы, то при этом образуется прочный мост, и опора на крепь будет минимальной. При уменьшении мощности нижнего породного слоя будет увеличиваться его прогиб, а следовательно, увеличиваться давление на крепь. Прогиб нижнего породного слоя является следствием его отслоения (отрыва) от вышележащих пород. А стало быть, теряют опору эти, вышележащие породы, и к ним пригодны те же рассуждения, которые мы сейчас применили к нижнему породному слою. И в зависимости от мощностей вышележащих породных слоев, давление на крепь будет определяться либо мощностью нижнего породного слоя, либо увеличиваться в соответствии с прогибом вышележащих слоев. В общем случае, давление на крепь со временем увеличивается, и это определяется распространением снизу вверх влияния штрека. Мощности породных слоев определяются местонахождением поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК), по которым и происходит расслоение пород кровли. Как показано в работе [10], местонахождение поверхностей ОМК без труда выявляется методом ССП. И, таким образом, решается проблема оценки и прогноза надежности подземных выработок.
     Совсем иная ситуация возникает, если имеет место влияние ЗТН. Даже принципиально слоистая среда, каковой является угленосная толща, в условиях ЗТН ведет себя совершенно иначе. И подземная выработка, попавшая в эту зону, оказывается как бы между двух огней. С одной стороны, имеет место пониженная несущая способность почвы, и крепь, естественно, сразу же начинает в нее уходить. Остается без опоры породная масса, находящаяся в кровле выработки. Я специально породы кровли назвал породной массой, потому что, в условиях ЗТН, как только при проходке штрека будет извлечен уголь, породы кровли немедленно устремятся на его место. Тем более, что они не встретят сопротивления уходящей в почву крепи.
     Вообще-то здесь картина может быть и не столь однозначной. Во-первых, влияние ЗТН определяется параметрами самого нарушения, и возможно, оно будет сказываться не столь стремительно. А кроме того, неизвестно еще, что больше будет влиять на выработку - кровля или почва. Если почва сложена глинистыми породами, то возможно их выдавливание в штрек. Это так называемое пучение почвы. Явление это бывает очень грозным, и встречаются случаи, когда в течение смены породы почвы поднимаются до самой кровли.
     Здесь можно сказать с уверенностью одно - попадание подземной выработки в ЗТН не остается безнаказанным. Иногда эту зону удается преодолеть с небольшими потерями, а иногда при этом гибнут механизмы и даже люди. Естественно, что получив заранее информацию о том, что на пути выработки имеет место ЗТН, можно снизить ее влияние имеющимися в арсенале подземщиков средствами. Либо просто отказаться от ее пересечения.
     Если подземная выработка имеет стационарный характер - скажем, метрополитен или какое-то подземное предприятие, то и здесь следует первым делом выделить ЗТН и осуществить некоторые вполне определенные действия. В частности, все крепи, поддерживающие кровлю, в ЗТН не должны опираться на почву. То есть необходимо применять какие-то мостовые конструкции. Причем таким образом, чтобы их опоры находились за пределами ЗТН. Возможны и другие технологические решения, и выбор их определяется конкретной ситуацией.

---

⁴ Но говорить, что упругие свойства горных пород полностью отсутствуют, тоже нельзя, так как их звукопроводность - это проявление как раз упругих свойств. Но при увеличении амплитуды колебаний наступает пограничное состояние, когда упругие колебания вызывают неупругие, необратимые деформации.

14. О герметичности хранилищ

     Все, что производится на Земле, рано или поздно становится отходами, и неизбежно возникает проблема их переработки и захоронений. Токсичные отходы необходимо размещать в емкостях таким образом, чтобы предотвратить их распространение. Но вот беда в том, что надежных способов решить эту задачу, на сегодняшний день, не существует.
     Одним из широко применяемых методов захоронения является размещение захораниваемых субстанций непосредственно в земле, используя природную герметичность тех или иных геологических структур. Из рекомендуемых геологических условий известны мощные залежи глины, полости, оставшиеся после выемки залежей соли, полости, специально сделанные в кристаллических породах.
     Однако, как показывает практика, представления о степени герметичности этих структур, возникли чисто умозрительно, и каждый раз, при контроле методом ССП, приходится констатировать ошибочность этих представлений.
     К сожалению, вся информация об утечках из тех или иных хранилищ носит случайный характер, поскольку всяческий вред, наносимый экологии, в нашем государстве скрывается.

14-а. КРАСНЫЙ БОР

     Необходимость найти место для захоранивания высокотоксичных отходов химического производства возникла в начале 60-х годов. Одна из рекомендаций по поводу захоранивания подобных веществ заключается в том, что для отходов вредного производства могут быть использованы ямы, вырытые в мощных глинистых отложениях. Мощные (более 20 м) залежи кембрийских глин под Колпино (СПб) были использованы для этих целей. Там был создан полигон "Красный Бор", на территории которого были вырыты котлованы глубиной 10-12 м. В эти котлованы и сливались высокотоксичные продукты.
     Когда в 1995 году нам было заказано⁵ оконтуривание полигона методом ССП для выявления зон выноса вещества за пределы полигона, то, согласно российским открытым публикациям, не было, по идее, оснований для проведения этих исследований. В результате проведенных нами исследований, было выявлено несколько участков, в которых границы полигона пересекаются ЗТН. Результаты, полученные с помощью метода ССП, были продублированы и подтверждены радоновой съемкой и анализом грунтовых вод в зонах пересечения ЗТН. Правда, что именно попало в отчет - ГГП "Севзапгеология", нам неизвестно, поскольку полученные нами результаты Заказчику не понравились, и наш отчет Заказчиком был уничтожен, и полученная нами информация осталась только в публикациях [11, 12].
     В настоящее время на полигоне "Красный Бор", в общем, ситуация та же самая. Согласно общедоступным источникам информации, утечек захороненного вещества с территории полигона не зарегистрировано, по-прежнему в заражении окружающего пространства обвиняют водителей мусоровозов [13]. Что же касается реакции на наши публикации, то в работе [14] нас обвиняют в искажении фактов, поскольку, как считают уважаемые авторы этих работ, само наличие залежи кембрийской глины не позволяет делать предположение о какой-либо негерметичности котлованов.
     Тем не менее, в 2004 году нам было заказано (уже самим полигоном) повторное обследование этого объекта с помощью метода ССП. За прошедшие 9 лет существенно усовершенствовалась аппаратура ССП, углубилось наше понимание получаемых результатов, и повторное обследование территории полигона в общих чертах подтвердило результаты 9-летней давности.
     Эти результаты очень важны для всех тех случаев, когда мощные залежи глины используют для захоронения тех или иных продуктов. Главное здесь то, что и в пределах месторождения глины могут находиться ЗТН, и свойства их ничем не отличаются от тех ЗТН, которые пересекают любую другую территорию. Наличие ЗТН само по себе безусловно предполагает возможности выноса захороненных веществ за пределы захоронения, а также наличие протечек в глубинные горизонты независимо от состава пород.

---

⁵ Заказчик - ГГП "Севзапгеология"

14-б. Глубинные захоронения радиоактивных отходов

     Сейчас возникло мнение, что безопасное захоронение радиоактивных отходов можно обеспечить, разместив их в глубоких шахтах. Так, одно такое хранилище обустраивается в Техасе, на глубине порядка 1000 м, в шахтах, которые использовались ранее для осуществления подземных атомных взрывов. Одним из аргументов реализации этого проекта является то, что породы в шахтах оплавлены в результате этих взрывов, что, как предполагается, обеспечит герметичность хранилищ. Нечто подобное предполагается создать и в России. В соответствии с этими намерениями, сообщаю следующее:

1. Если какой-то участок подземной выработки оказывается в ЗТН, то разрушение этого участка произойдет неизбежно (см. раздел 13).
2. При этом, естественно, находящиеся в этой выработке жидкие или газообразные субстанции будут мигрировать по горным породам вдоль каналов повышенной проницаемости.
3. Направление миграции этих субстанций будет определяться геометрией ЗТН.
4. Чем глубже хранилище, тем обширнее будет зона заражения.

     ВЫВОД - для захоронения на больших глубинах необходимо из территории будущих хранилищ исключать ЗТН.
     Мы попытались эти рекомендации передать в США, для реализации их при строительстве их хранилища. Однако по их утверждению, перед строительством этого объекта были осуществлены инженерно-геофизические изыскания на сумму $17 млрд. И, стало быть, ни в каких рекомендациях больше не нуждаются.

14-в. Большеобъемные цистерны

     В хранилищах могут находиться не только отходы, но и разного рода топливные ресурсы. Например, жидкие и газообразные нефтепродукты. Весьма распространены для хранения, скажем, бензина, большеобъемные цистерны емкостью 2000 м3. Опросы показали, что большое количество этих цистерн, что называется, текут.
     В связи с этим хотелось бы поделиться результатами наших обследований блока из 8 таких цистерн, находящихся между поселками Озерки и Шувалово (Санкт-Петербург). Эти цистерны заполнены авиационным керосином, а площадка принадлежит заводу им. Климова, и служит для испытаний авиационных двигателей. Утечка керосина не превышает допустимых потерь и составляет всего... 100 тонн в сутки. Никто бы против этого не возражал, как нам сказали, но иностранные экологи аэро и космометодами обнаружили попадание этого керосина в водоемы. В результате нашего обследования методом ССП оказалось, что одна из цистерн находится в очень явственной ЗТН. И действительно, именно эта цистерна и течет. Однако к нашему заключению, что причина потери герметичности цистерны состоит в том, что под цистерной проходит ЗТН, Заказчик (экологическая организация) отнесся, мягко говоря, с юмором. По его словам, эту цистерну уже несколько раз заваривали, но она вновь теряет герметичность исключительно в силу низкой квалификации ремонтников.
     Не знаю, какова судьба этой цистерны, но уверен, что течь в ней будет появляться до тех пор, пока ее не переместят за пределы ЗТН.

15. О роли зон тектонических нарушений на месторождениях нефти

     Как известно, нефть под Оренбургом была открыта Губкиным, когда, находясь на берегу одной из речек, он обнаружил следы асфальта - продукта, который остается при возгонке нефти. Закономерно, что это произошло именно на берегу реки, то есть в ЗТН. В самом деле, как бы глубоко ни залегала нефть, в ЗТН ее пары поднимутся до дневной поверхности, что и проявится следами асфальта.
     С другой стороны, в пределах месторождения углеводородов не может быть ЗТН, поскольку нефть просто-напросто утечет в трещины в горных породах в этих зонах. В виде испарений она даст знать о себе на поверхности, но в основном она будет вытекать вниз, в трещины в кристаллических породах. То есть месторождение нефти самой Природой оконтурено зонами тектонических нарушений, за пределы которых нефть не проникнет. И в этом смысле, переоценить роль знания о ЗТН, оконтуривающих месторождение нефти, переоценить трудно.
     Влияние зон тектонических нарушений на месторождение сказывается уже на некотором расстоянии от них (от ЗТН). Нефтесодержащие породы находятся под большим давлением со стороны вмещающих пород. И поскольку на краях месторождения нефть выжимается в ЗТН, то оставшиеся без нефти губчатые породы сдавливаются вышележащими породами. Таким образом самой Природой обеспечивается герметичность резервуара с оставшейся нефтью. Но при этом происходят подвижки в вышележащих породах вблизи с ЗТН. А как мы помним, ССП-разрезы как раз и содержат информацию обо всех тех подвижках, которые когда-либо происходили в земной толще. В результате, изображения регистрируемых на ССП-разрезах ЗТН, ограничивающих месторождения нефти, оказались отличными от изображений тех ЗТН, которые не связаны с месторождениями нефти.

ССП-разрез по профилю, проходящему через нефтедобывающую скважину

Рис. 12

     На рис.12 показан участок ССП-разреза, полученного при профилировании через ЗТН, оконтуривающую месторождение нефти под Оренбургом. Два V-образных объекта - с центрами около 480-го и 550-го м от скважины - это тектонические нарушения, непосредственно оконтуривающие данное месторождение. А образующая, соседствующая с ближайшим к скважине V-образным объектом, которая выполаживается к 400-му м, возникла в результате подвижек, возникших при выжимании нефти на границе месторождения.
     Особое внимание при добыче нефти следует уделить тому, чтобы скважина не оказалась в ЗТН. Если это происходит, то скважина с самых первых метров проходки может оказаться в аварийной ситуации. Это обусловлено тем, что обсадные трубы скважины, находящейся в этой зоне, будут проваливаться. Я уж не говорю о том, что полноценного извлечения нефти не будет.
     Интересно, что из всей геофизики (исключая скважинную, естественно) на месторождениях углеводородов используют только сейсморазведку, которую, кстати, и используют главным образом для того, чтобы давать информацию о тектонических нарушениях. Однако сравнение результатов ССП и применяемой нефтяниками сейсморазведки показало, что в имеющихся у них материалах информация о ЗТН отсутствует. Аварийное же состояние скважин, оказавшихся в ЗТН, стараются объяснить чем угодно, но только не этим.

Заключение

     Важнейшим, пожалуй, выводом является то, что все перечисленные выше явления имеют глубинные причины, и влияние тектонических нарушений сказывается независимо от мощности осадочного чехла.
     По своему влиянию на жизнь нашей планеты и всех на ней живущих, ЗТН можно уподобить нашей кровеносной системе. Точно также как любые травмы, задевающие наши вены или артерии, могут иметь катастрофические для нашего организма последствия, так и воздействия на ЗТН могут вызвать катастрофы как местного, так и глобального характера.
     Заражение Земли при расползании по ее "кровеносным сосудам" токсичных веществ необратимо. По крайней мере, до тех пор, пока мы не научимся их прочищать и промывать.
     Размещение в ЗТН ответственных сооружений типа электростанций, насосных станций, очистных сооружений и т.п., - обязательно приведет к их разрушению, с соответствующими последствиями.
     Если учитывать влияние человеческой деятельности на здоровье планеты, то это отзовется благодарностью Земли к ее обитателям. Так, прекращение строительства жилых домов в ЗТН резко улучшит здоровье людей (прекратится губительное действие геопатогенных зон), снизит аварийность и увеличит срок службы этих домов. А кроме того, уменьшится аварийность домов в сейсмоактивных зонах.
     Понимание влияния ЗТН на наше благополучие рано или поздно приведет к пониманию необходимости картирования ЗТН на всей нашей планете.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Гликман А.Г., Стародубцев А.А. Опыт выявления тектонических нарушений методом спектрально-сейсморазведочного профилирования. Бюллетень РАН "Экологическая безопасность", СПб, N1-2, 1997, с. 26-29.
2. Гликман А.Г. "Сейсморазведка - это очень просто." "Жизнь и безопасность." N3-4, 2003 с. 537-541.
3. Гликман А.Г. "Так что же такое сейсморазведка?" www.newgeophys.spb.ru
4. Мельников Е.К., Мусийчук Ю.И., Потифоров А.И., Рудник В.А., Рымарев В.И. "Геопатогенные зоны - миф или реальность?"- Спб: ВНИИОкеангеоресурсы.- 1993.- 48с.
5. Гликман А.Г. "О геопатогенных зонах." www.newgeophys.spb.ru
6. Сашурин А.Д. "Современная геодинамика и техногенные катастрофы." Сб. докладов международной конференции "Геомеханика в горном деле - 2002" Екатеринбург, Игд УрО РАН 19-21 ноября 2002 г, http://igd.uran.ru/geomech/ , обновление 23.02.2003.
7. Марков А.А., Шпагин А.А., "Ультразвуковая дефектоскопия рельсов." Изд. Образование-Культура, СПб, 1999.
8. Гликман А.Г., Овчаренко Б.П. "Исследование влияния трещиноватости образцов горных пород на акустические параметры при лабораторных измерениях" // Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления/Тезисы выступлений на Всесоюзной научно-технической конференции в ЛГИ/ ЛГИ. Л., 1982.
9. Гликман А.Г. Методологические аспекты применения сейсморазведки. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. N10, 1999, с. 19-25.
10. Андреев В.П., Гликман А.Г. "Геоакустический метод выявления поверхностей ослабленного механического контакта" //Уголь, 1985, N9, с.52-54.
11. Гликман А.Г., Стародубцев А.А. "Метрополитен? Красный бор?" Жизнь и безопасность. N2-3, 1997 с.152-156
12. Гликман А.Г. "Справка об исследованиях полигона "Красный бор"" Жизнь и безопасность N 3-4, 2003г с.99-100.
13. Голубев Д.А., Крупнов О.Р., Таукин П.Б. "Меры по совершенствованию деятельности ГУПП "Полигон "Красный бор" и обеспечению экологической безопасности в регионе." Жизнь и безопасность N 2-3 2004, с.107-111
14. Гольцова Н.И., Меркушев И.А. "Геологическое обоснование выбора территории для строительства полигона по утилизации опасных промышленных отходов в Ленинградской области. История создания полигона "Красный Бор". Жизнь и безопасность N2-3 2004 с.111-121.