Введение
Вертикальное опускание поверхности Земли
Опускание – это общий термин, обозначающий вертикальное движение поверхности Земли вниз, которое может быть вызвано как естественными процессами, так и деятельностью человека. Опускание характеризуется незначительным или отсутствующим горизонтальным смещением, что отличает его от движения по склону. К процессам, приводящим к опусканию, относятся растворение подземными водами лежачих карбонатных пород; постепенное уплотнение осадочных пород; удаление жидкой лавы из-под затвердевшей скальной коры; горнодобывающая деятельность; откачка подземных флюидов, таких как грунтовые воды или нефть; или искривление земной коры тектоническими силами. Опускание, вызванное тектонической деформацией земной коры, называется тектоническим опусканием. Откачка грунтовых вод или нефти привела к опусканию поверхности в некоторых районах мира на значительные величины и повлекла за собой затраты, исчисляемые сотнями миллионов долларов США.
Растворение известняка
Осадка часто вызывает серьезные проблемы в карстовых ландшафтах, где растворение известняка потоками жидкости в подповерхностных слоях создает пустоты (то есть пещеры). Если свод пустоты становится слишком слабым, он может обрушиться, и налегающие горные породы и грунт провалятся в образовавшееся пространство, вызывая осадку на поверхности. Этот тип осадки может приводить к образованию карстовых воронок, которые могут достигать глубины в сотни метров.
Добыча полезных ископаемых
Несколько типов подземной добычи, и особенно методы, которые намеренно приводят к обрушению выработанного пространства (такие как выемка столбов, длинностеновая выемка и любой метод добычи рудных полезных ископаемых, использующий обрушение, например, камерно-столбовая выемка или выемка с обрушением под уровнем), приводят к оседанию поверхности. Оседание, вызванное горными работами, относительно предсказуемо по величине, проявлениям и масштабу, за исключением случаев внезапного обрушения столба или неглубокого подземного сооружения (обычно это очень старые выработки). Оседание, вызванное горными работами, почти всегда локализовано над выработанной зоной, с небольшим периферийным осадком вокруг неё. Вертикальная величина оседания обычно не представляет собой проблемы, за исключением случаев нарушения дренажа (включая естественный). Гораздо большую опасность представляют связанные с этим деформации поверхности – сжатия и растяжения, кривизна, наклоны и горизонтальные смещения, которые и являются причиной наибольшего ущерба для окружающей среды, зданий и инфраструктуры. Если планируется горная деятельность, оседание, вызванное горными работами, можно успешно контролировать при сотрудничестве всех заинтересованных сторон. Это достигается за счет тщательного планирования горных работ, принятия профилактических мер и проведения восстановительных работ после завершения добычи.
Добыча нефти и природного газа
Если природный газ добывается из газового месторождения, то начальное давление (до 60 МПа (600 бар)) в месторождении со временем будет падать. Давление поддерживает вышележащие слои грунта. При извлечении газа перегружающие отложения уплотняются, что может привести к землетрясениям и оседанию земной поверхности. С начала разработки газового месторождения Slochteren (Нидерланды) в конце 1960-х годов уровень земли на площади 250 км² опустился на 30 см – это максимальное зарегистрированное значение на данный момент. Добыча нефти также может вызывать значительное оседание. В городе Лонг-Бич (Калифорния, США) в течение 34 лет добычи нефти был нанесен ущерб инфраструктуре на сумму свыше 100 миллионов долларов. Оседание прекратилось, когда вторичные скважины закачивали достаточное количество воды в нефтяной пласт для его стабилизации. Геопространственное информационное управление Японии сообщило о немедленном оседании, вызванном землетрясением Тохоку в 2011 году. В северной Японии оседание в 0,50 м (1,64 фута) было зафиксировано на побережье Тихого океана в Мияко (Тохоку), а в Рикузентаката (Ивате) – 0,84 м (2,75 фута). На юге, в Соме (Фукусима), наблюдалось оседание в 0,29 м (0,95 фута). Максимальное оседание составило 1,2 м (3,93 фута), сопровождавшееся горизонтальным диастрофизмом до 5,3 м (17,3 фута) на полуострове Осика в префектуре Мияги.
Осаждение, связанное с подземными водами
Осадка, связанная с подземными водами, – это оседание (или проседание) земной поверхности, вызванное извлечением подземных вод. Это растущая проблема в развивающихся странах, поскольку города растут в численности населения и увеличивают водопотребление при отсутствии надлежащего регулирования и контроля за откачкой воды. По одной оценке, 80% серьезных проблем, связанных с осадкой земной поверхности, обусловлены чрезмерным извлечением подземных вод, что делает это проблемой, приобретающей все большее значение во всем мире. Колебания уровня подземных вод также могут косвенно влиять на разложение органических веществ. Застройка низменных территорий, таких как прибрежные равнины или дельты, требует осушения. Возникающая аэрация почвы приводит к окислению ее органических компонентов, таких как торф, и этот процесс разложения может вызывать значительную осадку земной поверхности. Это особенно актуально, когда уровни подземных вод периодически корректируются с учетом осадки, чтобы поддерживать желаемую глубину ненасыщенной зоны, подвергая все большее количество торфа воздействию кислорода. Кроме того, осушенные почвы уплотняются из-за увеличения эффективного напряжения. Таким образом, осадка земной поверхности может стать самоподдерживающимся процессом, достигая скорости до 5 см в год. Ранее управление водными ресурсами было ориентировано главным образом на такие факторы, как оптимизация урожайности, но в различной степени предотвращение осадки также стало учитываться.
Неисправность вызвана
Когда в земной коре возникают дифференциальные напряжения, они могут быть скомпенсированы либо геологическими разломами в хрупкой коре, либо пластическим течением в более горячей и текучей мантии. В случае образования разломов, абсолюстное опускание может происходить в подвешенной части нормальных разломов. В обратных или надвиговых разломах относительное опускание может измеряться в лежачей части.
Изостатическое оседание
Кора плавуче располагается в астеносфере, при этом отношение массы ниже "поверхности" пропорционально её собственной плотности и плотности астеносферы. Если к локальной области коры добавляется масса (например, за счет отложений), кора опускается, чтобы компенсировать это и поддерживать изостатическое равновесие.
Сезонные эффекты
Во многих почвах содержится значительное количество глины. Из-за очень малого размера частиц они подвержены влиянию изменений влажности почвы. Сезонное высыхание почвы приводит к уменьшению как объема, так и уровня поверхности почвы. Если фундаменты зданий расположены выше уровня, до которого доходит сезонное высыхание, они деформируются, что может привести к повреждению здания в виде конических трещин. Деревья и другая растительность могут оказывать существенное локальное воздействие на сезонное высыхание почвы. На протяжении нескольких лет, по мере роста дерева, происходит кумулятивное высыхание. Это может привести к обратному процессу опускания, известному как пучение или вздутие почвы, когда дерево погибает или срубается. По мере устранения накопленного дефицита влаги, что может занять до 25 лет, уровень поверхности вокруг дерева поднимается и расширяется в стороны. Это часто повреждает здания, если фундаменты не были усилены или спроектированы с учетом этого воздействия.
Вес зданий
Высокие здания могут вызывать оседание грунта, оказывая давление своим весом на почву под ними. Эта проблема уже ощущается в Нью-Йорке, в районе залива Сан-Франциско и в Лагосе.