Проседание – это общий термин, обозначающий вертикальное движение земной поверхности вниз, которое может быть вызвано как природными процессами, так и деятельностью человека. Проседание предполагает незначительное горизонтальное движение или его отсутствие вообще, [1] [2] , что отличает его от наклонного движения . [3]
Процессы, которые приводят к проседанию, включают растворение подстилающих карбонатных пород грунтовыми водами ; постепенное уплотнение осадков ; _ выход жидкой лавы из-под застывшей корки породы; добыча полезных ископаемых; перекачивание подземных жидкостей, таких как грунтовые воды или нефть ; или искривление земной коры тектоническими силами. Проседание, возникающее в результате тектонической деформации земной коры, известно как тектоническое проседание [1] и может создать место для накопления отложений и, в конечном итоге, литификации в осадочную породу . [2]
Проседание грунта вызывает глобальную озабоченность у геологов , инженеров-геотехников , геодезистов , инженеров , градостроителей , землевладельцев и общественности в целом. [4] Откачка грунтовых вод или нефти привела к проседанию на целых 9 метров (30 футов) во многих местах по всему миру, что привело к затратам, измеряемым сотнями миллионов долларов США. [5]
Проседание часто вызывает серьезные проблемы на карстовых территориях, где растворение известняка потоком жидкости в недрах создает пустоты (т.е. пещеры ). Если крыша пустоты станет слишком слабой, она может рухнуть, а вышележащие камни и земля упадут в пространство, вызывая проседание поверхности. Этот тип оседания может привести к образованию провалов , глубина которых может достигать многих сотен метров. [6]
Несколько типов подземных горных работ и, в частности, методы, которые намеренно вызывают обрушение извлеченной пустоты (например, добыча столбов, добыча длинными забоями и любой метод добычи полезных ископаемых , который использует «обрушение», например «блочное обрушение» или «подэтажное обрушение»). ) приведет к оседанию поверхности. Проседание, вызванное горными работами, относительно предсказуемо по своей величине, проявлению и протяженности, за исключением случаев, когда происходит внезапное обрушение столба или приповерхностного туннеля (обычно очень старые выработки [7] ). Проседание, вызванное добычей полезных ископаемых, почти всегда очень локализовано на поверхности над заминированным участком, а также на краю снаружи. [8] Вертикальная величина оседания сама по себе обычно не вызывает проблем, за исключением дренажа (включая естественный дренаж) – скорее, причиной являются связанные с этим поверхностные деформации сжатия и растяжения, кривизна, наклоны и горизонтальное смещение. наибольшего ущерба окружающей среде, зданиям и инфраструктуре. [9]
Там, где планируется добыча полезных ископаемых, проседанием, вызванным добычей полезных ископаемых, можно успешно управлять при условии сотрудничества всех заинтересованных сторон. Это достигается за счет сочетания тщательного планирования горных работ, принятия превентивных мер и проведения ремонтных работ после добычи. [10]
Если природный газ добывается из месторождения природного газа, начальное давление (до 60 МПа (600 бар )) на месторождении с годами будет падать. Давление помогает поддерживать слои почвы над полем. При добыче газа напорные отложения вскрышных пород уплотняются, что может привести к землетрясениям и оседаниям на уровне земли.
С момента начала эксплуатации газового месторождения Слохтерен ( Нидерланды ) в конце 1960-х годов уровень земли на площади 250 км 2 понизился на текущий максимум на 30 см. [11]
Добыча нефти также может вызвать значительное проседание. В городе Лонг-Бич, штат Калифорния , за 34 года добычи нефти высота падения составила 9 метров (30 футов), что привело к ущербу, нанесенному инфраструктуре в этом районе на сумму более 100 миллионов долларов. Оседание было остановлено, когда вторичные добывающие скважины закачали в нефтяной пласт достаточно воды, чтобы стабилизировать его. [5]
Проседание земли во время землетрясения может происходить по-разному. Большие площади суши могут резко опуститься во время землетрясения из-за смещения вдоль линий разломов. Проседание земли может также произойти в результате оседания и уплотнения рыхлых отложений от сотрясений при землетрясении. [12]
Управление геопространственной информации Японии сообщило о немедленном проседании земли, вызванном землетрясением Тохоку 2011 года . [13] В Северной Японии оседание на 0,50 м (1,64 фута) наблюдалось на побережье Тихого океана в Мияко , Тохоку , в то время как Рикузентаката, Иватэ, измерялось 0,84 м (2,75 фута). На юге в Соме, Фукусима , наблюдалось 0,29 м (0,95 фута). Максимальная величина опускания составила 1,2 м (3,93 фута) в сочетании с горизонтальным диастрофизмом до 5,3 м (17,3 фута) на полуострове Осика в префектуре Мияги . [14]
Проседание грунтовых вод — это проседание (или опускание) земли в результате добычи подземных вод. Это растущая проблема в развивающемся мире, поскольку в городах увеличивается численность населения и потребление воды, без надлежащего регулирования и обеспечения соблюдения требований в отношении насосов. По одной из оценок, 80% серьезных проблем проседания земель связаны с чрезмерным извлечением грунтовых вод [15] , что делает эту проблему растущей во всем мире.
Колебания грунтовых вод также могут косвенно влиять на разложение органического материала. Заселение низин , например, прибрежных или дельтовых равнин, требует дренажа . Возникающая в результате аэрация почвы приводит к окислению ее органических компонентов, таких как торф , и этот процесс разложения может вызвать значительное проседание земли. Это особенно актуально, когда уровни грунтовых вод периодически адаптируются к опусканию, чтобы поддерживать желаемую глубину ненасыщенной зоны , подвергая все больше и больше торфа воздействию кислорода. Кроме того, осушенные почвы консолидируются в результате повышенного эффективного напряжения . [16] [17] Таким образом, проседание земель может стать самовоспроизводящимся со скоростью до 5 см/год. Раньше управление водными ресурсами регулировалось в первую очередь с учетом таких факторов, как оптимизация сельскохозяйственных культур , но в той или иной степени теперь во внимание также стали приниматься меры по предотвращению проседания земель.
Когда на Земле существуют дифференциальные напряжения, они могут компенсироваться либо геологическими разломами в хрупкой коре , либо пластичным течением в более горячей и более жидкой мантии . При возникновении разломов в висячей стенке нормальных разломов может произойти абсолютное оседание. При взбросах, или надвигах, относительное оседание может быть измерено в подошве. [18]
Кора плавуче плавает в астеносфере , причем соотношение массы ниже «поверхности» пропорционально ее собственной плотности и плотности астеносферы. Если масса добавляется к локальному участку коры (например, в результате отложения ), корка оседает, чтобы компенсировать и поддерживать изостатический баланс . [2]
Противоположность изостатическому опусканию известна как изостатический отскок — действие коры, возвращающейся (иногда в течение тысячелетий) в состояние изостазии, например, после таяния крупных ледниковых щитов или высыхания крупных озер после последний ледниковый период. Озеро Бонневиль — известный пример изостатического отскока. Из-за веса воды, когда-то находившейся в озере, земная кора просела почти на 200 футов (61 м), чтобы сохранить равновесие. Когда озеро высохло, корка восстановилась. Сегодня на озере Бонневиль центр бывшего озера примерно на 200 футов (61 м) выше, чем края бывшего озера. [19]
Многие почвы содержат значительное количество глины. Из-за очень малого размера частиц на них влияют изменения влажности почвы. Сезонное пересыхание почвы приводит к уменьшению как объема, так и поверхности почвы. Если фундаменты зданий находятся выше уровня, достигнутого в результате сезонного высыхания, они смещаются, что может привести к повреждению здания в виде сужающихся трещин.
Деревья и другая растительность могут оказывать существенное локальное влияние на сезонное высыхание почв. В течение ряда лет по мере роста дерева происходит кумулятивное усыхание. Это может привести к противоположному проседанию, известному как пучение или набухание почвы, когда дерево падает или его валят. По мере устранения накопительного дефицита влаги, который может длиться до 25 лет, уровень поверхности вокруг дерева поднимется и расширится вбок. Это часто повреждает здания, если фундамент не был укреплен или спроектирован так, чтобы выдержать этот эффект. [20]
Высокие здания могут вызвать проседание земли, сдавливая почву под своим весом. Проблема уже ощущается в Нью-Йорке , районе залива Сан-Франциско , Лагосе . [21] [22]
