Как обнаружить карстовую воронку – до того, как она вас поглотит

Внезапное исчезновение земли под ногами, домом или полем, оставляющее после себя дыру, становится шоком. Эта дыра может достигать десятков метров в глубину и вести в полость, простирающуюся на сотни метров под землей.

Такие явления называются карстовыми воронками (провалами), и это глобальная проблема. Иногда они имеют чисто природное происхождение, но также могут быть связаны с прошлой промышленной деятельностью, чаще всего — с горными работами. Как же ученые обнаруживают такие провалы до их выхода на поверхность?

Ключом к возможности образования воронок является геология подстилающих пород. Известняк подвержен растворению грунтовыми водами, что со временем может создавать огромные сети подземных пещер, известные как карст. Эти полости могут обрушиваться под действием гравитации, приводя к образованию крупных поверхностных впадин, повреждениям от проседания и даже полной потере домов.

Плохо нанесенные на карту и задокументированные исторические горные выработки угля, соли, калийных солей, олова и меди часто оставляют под землей пустоты. Со временем эти пустоты могут выйти на поверхность по мере прогрессирующего обрушения кровли. Обрушения могут быть постепенными или внезапными, с образованием впадин на поверхности за ночь без предупреждения. Такие быстрые события часто связаны с изменениями уровня грунтовых вод или периодами экстремальных осадков.

Поиск провалов

Мы работали над проблемой карстовых воронок по всему миру: от золотых рудников в Австралии до Ближнего Востока, в частности в Кувейте и районе Мёртвого моря, а также на Багамах. Мы также исследовали Великобританию и Ирландию, изучая горные выработки в Южном Уэльсе, Йоркшире и Стаффордшире, а также провалы, вызванные средневековой добычей мела для строительного раствора под крупной дорогой близ Лондона.

За годы работы мы стали экспертами в измерении силы тяжести Земли со сверхвысокой точностью — до нескольких частей на миллиард. Этот метод известен как микрогравиметрия. Мы можем использовать его для обнаружения полости или даже частично заполненной области с плотностью ниже, чем у окружающих пород, задолго до того, как обрушение достигнет поверхности.

Часто нас привлекают уже после первого обрушения, чтобы обнаружить все другие потенциальные провалы поблизости. Застройщикам необходимо задумываться о такого рода исследованиях до начала строительства.

Дополнительным нововведением, которое мы разработали, является проведение так называемых 4-D, изменяющихся во времени, повторных микрогравиметрических съемок с интервалами от месяцев до лет. Это позволяет нам фиксировать изменения силы тяжести, которые указывают на то, что полости распространяются к поверхности и потенциально становятся нестабильными.

Мы наблюдаем за проблемным участком канала Трент-Мерси в Чешире с 2002 года, проводя замеры более или менее ежегодно. За этот период результаты микрогравиметрии указывают на усиление аномалий и на то, что подстилающие соляные шахты, ради которых изначально и строились каналы, становятся менее стабильными. Это может быть связано с утечками из самих каналов или с более частыми интенсивными осадками из-за изменения климата.

Недавнее обрушение участка того же канала поблизости, в Мидлвиче, вызвавшее серьезные disruption и едва не приведшее к гибели людей, привлекло особое внимание к нашей работе. Планируемый маршрут второй фазы высокоскоростной магистрали HS2 должен пересечь значительную часть этого Чеширского соляного поля, где проседания очень часты, и инженерные задачи для этой скоростной линии будут значительными. Ведь с карстовыми воронками можно что-то сделать — если их удастся вовремя обнаружить.