(Статья недели. «ХиЖ» 2024 №7)
Покой человечества все чаще нарушают тревожные сообщения о новых данных наук о Земле. Одно из таких — открытие непрерывного оседания почвы под крупными и прибрежными городами мира. Попробуем разобраться в том, насколько универсален и страшен этот процесс.
Люди давно знали, что уровень земной поверхности непостоянен. Иногда эти изменения происходят катастрофически, но чаще — медленно и незаметно. Древние воспринимали это как данность, зафиксированную в летописях и преданиях. Наши современники, которые научились измерять уровень суши относительно уровня моря, стремятся всесторонне изучить эти явления.
С рождением учения Ньютона о гравитационной силе появилась математическая возможность строго описывать ее на поверхности планеты. Сразу возникло предположение, что в разных точках Земли она должна быть немного разной, так как земные породы имеют разную удельную массу, то есть плотность, от которой зависит сила притяжения. Например, плотные горы должны притягивать любой объект сильнее, чем менее плотная почва. Однако и в горах, и на равнинах сила тяжести оставалась примерно постоянной, что было странно.
Уже полтора столетия назад появилось несколько объяснений этого явления. Например, одно из них состояло в том, что толщина равномерно плотной земной коры возрастает под горами, ее подошва вдается в мантию, чтобы компенсировать возвышение и выровнять силу тяжести. Другое объяснение предполагало, что гравитация остается постоянной из-за изменения плотности коры вдоль земной поверхности.
Современная теория изостазии, то есть сохранения равновесия земной поверхности, включает в себя оба этих механизма. Земля со временем медленно течет как жидкость с очень большой вязкостью. Очевидным подтверждением этого служит отклонение формы планеты от сферической, обусловленное центробежной силой инерции. Она возникает из-за вращения планеты вокруг ее оси и максимальна на экваторе.
Современные достижения физики позволили выявить пространственные и временные масштабы явления изостазии и даже обнаружить его у других космических тел. Сейчас эта теория лежит в основании базовых концепций современной геологии, к примеру, тектоники плит или теории геосинклиналей.
После выведения земной коры из равновесия, например из-за геологических катастроф, изостатические движения незаметно развиваются столетиями. Обычно они проявляются как смещения крупных блоков земной коры размерами в сотню километров и более. Не последнюю роль в этих процессах играют внутренние механические напряжения коры, которые связаны с миграцией и диффузией различных неоднородностей в ней.
На масштабах в десятки километров эти процессы дополняет течение грунтовых вод, которое меняется от сезона к сезону. Оно также медленно эволюционирует десятилетиями, следуя за климатическими изменениями. На этих масштабах в силу вступает геологическая деятельность человека, например, в регионах разработки различных месторождений или активного строительства городов. Оставим за скобками природные катастрофы.
Процессами на масштабах от сотен метров до сотен километров занимается инженерно-промышленная геология, хорошо разработанный в последнее время раздел науки о Земле. Благодаря техническим достижениям он вступил в эру своего расцвета. В XXI веке у геологии появились новые источники информации, от глобальных до локальных. Это прецизионные наблюдения из космоса, совершенные сейсмическая техника и точные приборы, разнообразные физические способы анализа и микроанализа пород и грунтов, технологии горизонтального и направленного бурения, интеллектуальные алгоритмы компьютерной обработки измерений.
Китайская угроза
Развитие спутниковых наблюдений, в частности радарных измерений поверхности Земли, Луны, планет и астероидов Солнечной системы, сделало рутиной точное отслеживание рельефа твердых небесных тел. Последнее десятилетие спутниковая съемка позволяет с точностью до миллиметров измерять перемещение поверхности за время от нескольких дней до нескольких лет. Это дало возможность космическим радарам составить карты поднятий и оседаний поверхности по всей территории развитых стран. Радарную интерферометрию также применяют для мониторинга устойчивости автомобильных и железных дорог, мостов, аэропортов, плотин и дамб.
Недавно в научной печати появилось несколько статей международной команды ученых об измерении вертикальных движений поверхности во всех крупнейших городских районах Китая и в крупных городах США. В Китае геофизики оценили просадку почвы с 2015 по 2022 год в 82 городах с общим населением 700 миллионов человек. Оказалось, что примерно 45% городов тонут со скоростью более 3 миллиметров в год. В 16% городов с 70 миллионами жителей проседание идет со скоростью более сантиметра в год.
Так, к примеру, происходит в Пекине и Тяньцзине. А это не только риск затопления при обильных осадках, как произошло несколько лет назад, но и опасность для автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос, фундаментов зданий, железнодорожных путей и трубопроводов. Спутниковые данные говорят, что под угрозой затопления пребывает треть городского населения Китая. Всего могут пострадать около 270 миллионов городских жителей.
Шанхай, крупнейший город Китая, за последнее столетие провалился на 3 метра и продолжает оседать. Если современная тенденция повышения уровня Мирового океана сохранится, то через столетие в Поднебесной число городских территорий ниже его уровня вырастет в три раза, а число проживающих в них — от 55 до 128 миллионов человек. Из-за совместного действия оседания городов и его повышения в такой опасности окажется примерно четверть прибрежных земель. Масштабная волна урбанизации в Китае будет поставлена под угрозу.
Об антропогенных просадках в Китае было известно и до этого исследования, но теперь новые результаты вопиют о принятии мер на национальном уровне. Для прогнозирования будущего необходимы теоретические модели, учитывающие деятельность человека и изменение климата. Нужны дополнительные исследования. Нужен систематический подход для оценки причин явления, а также потенциальных ответных мер сегодня и завтра. Ученые считают, что без активной реакции общества может произойти катастрофа.
Проблема мира
Тонущие города Китая — лишь часть глобального явления. Эту проблему геофизики наблюдают по всему миру. Земля под крупными городами проседает почти везде. Например, недавние спутниковые исследования показали растущую опасность вдоль восточного побережья США, где очень высокая плотность населения, транспортных сетей и предприятий. Американские геофизики детально изучили, как влияет снижение уровня почвы на разные объекты, расположенные на расстояниях до сотни километров от берега Атлантического океана. Это автомобильные и железные дороги, плотины, дамбы, вокзалы, аэродромы, университеты, школы, больницы, пожарные депо и пр.
Ученые установили, что территории, где проживают десятки миллионов человек и находятся миллионы объектов недвижимости и где расположено более половины крупных американских городов, таких как Нью-Йорк, Балтимор или Норфолк, оседают со скоростью 1–2 мм в год. Это, конечно, не китайские темпы, которые связаны с географической разницей грунтов и градостроительной культурой, но они тоже опасны.
В августе 2005 года ураган Катрина спровоцировал прорыв системы дамб в Новом Орлеане. Это привело к масштабному наводнению, серьезному ущербу для города и гибели более полутора тысяч человек. Проседание морских защитных сооружений — одна из причин того, что наводнение вызвало сильные разрушения и такое количество жертв.
По данным за 2021 год, аэропорты, школы, дороги, мосты, плотины и дамбы США пребывают в посредственном или плохом состоянии, и только железные дороги — в относительно хорошем. На восточном побережье страны и они требуют вложений в десятки миллиардов долларов на ремонт. Такое состояние инфраструктуры подвергает ее высоким рискам. Ученые отмечают безразличие властей к техническому обслуживанию прибрежной зоны.
Опасность усиливает старение построек, экстремальные погодные явления и неравномерная просадка грунта, которая нарушает транспортные сети. Фундамент некоторых сооружений восточного побережья не доходит до коренной породы, поэтому они более подвержены опасности. Чтобы предотвратить их разрушение, необходим постоянный мониторинг, а также активность владельцев недвижимости, государственных органов, политиков и всего общества.
Более опасно западное побережье с его активными геологическими процессами. Здесь есть несколько территорий, где просадка достигает сантиметров в год. Так в прибрежном Сан-Франциско после основания города, по минимальным оценкам, почва опустилась на десяток сантиметров. Если современные тенденции сохранятся, то к середине нашего столетия уровень моря здесь поднимется на 30 сантиметров. Масса города такова, что, по расчетам геологов, искривляет границу земной коры под ним. Он находится на континентальной окраине в тектонически активной зоне. Здесь проседание обычно выше, чем в центрах континентов с их более стабильной и жесткой литосферой.
Проседание почвы — универсальный процесс, который развивается не только в городах. Показателен в этом смысле Иран. Например, в районе Рафсанджан провинции Керман, в центре производства иранских фисташек, темп проседания грунта выше 3,5 сантиметра в год. Геофизики создали карту проседания всей страны с разрешением в 100 метров с помощью радарных измерений европейского спутника Sentinel-1 в 2014–2020 годах. Вместе с другими данными она позволили оценить ежегодную потерю иранских подземных вод. Оказалось, что для восполнения таких объемов, если оно возможно, нужны сотни или тысячи лет.
Причиной потерь ученые считают нерациональную добычу воды и орошаемое земледелие, которые усугубляет рост населения и промышленности. Грунт по всей стране оседает из-за снижения подземного гидравлического напора при истощении водоносных горизонтов. Существенная часть населения живет в опасных районах. Темпы проседания в десятки сантиметров в провинциях Керман, Тегеран, Альборз, Фарс и Хорасан-Разави — одни из высочайших в мире.
Что касается России, то мы не смогли обнаружить научных работ, посвященных проседанию городов. Измерения уровня почвы относятся в основном к регионам добычи полезных ископаемых. На территории нашей страны есть самые разные геологические формации, а значит, и поселения на ней располагаются на самых разных грунтах. Поэтому очевидно, что проблема проседания не обходит и мелкие, и крупные города.
О том, что проблема существует, можно судить и по косвенным признакам. Например, археологи знают, что фундаменты и нижние этажи старинных каменных зданий в городах часто лежат гораздо ниже современных уровней дорог и тротуаров. В частности, раскопанные здания Москвы и Санкт-Петербурга на метры вросли в землю не только за счет повышения уровня дорог, которые столетиями накладывают слоями одна на другую, но и за счет проседания под собственным весом. По-видимому, на основе этих данных ученые могли бы даже составить карты просадки почв крупных городов.
Редко кто не видел сообщений о неожиданном появлении провалов в черте российских городов. Особенно глубокие провалы случаются, если неподалеку находятся места добычи полезных ископаемых. И локальные провалы, и медленное проседание связаны единым механизмом смещений пород при образовании в них пустот и дефектов различных размеров. Если есть провалы, есть и просадка почвы.
Многие столетия назад города на территории России строили вдоль рек, предпочтительно на их излучинах. Река прокладывает себе путь через более слабые породы и огибает плотные и твердые. Поэтому города-крепости стояли на не склонных к просадке возвышенностях. Так, Москва стоит на семи холмах. Столица расположена на Русском щите Восточно-Европейской равнины. Геологическая обстановка здесь достаточно спокойная.
После уничтожения рыбных ресурсов пресных вод из-за промышленных стоков и массового строительства гидротехнических сооружений вода стала непригодной для питья. С ростом населения начался массовый забор подземной воды, что, как в Иране, сильно нарушает равновесие почвы. В столице почти не осталось чистых ключей, из которых москвичи столетиями брали воду. Равновесие почв нарушают протечки многочисленных подземных коммуникаций. Из стабильного состояния их выводит и отсутствие эффективной ливневой канализации, при которой дожди становятся большой проблемой для города.
Очевидно, в некоторых городах страны проседание превышает сантиметры в год. Понятно, что наиболее опасны прибрежные города, поселения, расположенные на слабых почвах, в низинах и дельтах рек. Эти темы еще ждут своих исследователей и государственного финансирования.
Мировые рекорды
Первое место среди тонущих под своей тяжестью мегаполисов принадлежит столице Индонезии Джакарте. Здесь сошлись буквально все факторы риска. Город в 11 миллионов жителей проваливается со скоростью 20 сантиметров в год. Дело усугубляется тем, что он находится на побережье океана, в низменности, на песчаных грунтах и глинистых отложениях. Страна располагается в зоне сильных землетрясений. В Джакарте большие проблемы со сбросом использованной воды и канализационными стоками, которые не только выводят почвы из равновесия, но и загрязняют, меняя химический состав.
Восполнение водоносного горизонта и сокращение откачки может быстро уменьшить оседание почвы. Здесь показателен пример Японии, которая накопила огромный опыт в борьбе с природными катастрофами. В Токио и Осаке грунтовые воды не забирают более половины столетия, с 1970-х годов. Отдельные города и районы Страны восходящего солнца сами разрабатывают стратегии управления рисками, вызванными изменением почв. В результате активных мер оседание во многих городах значительно уменьшилось или вовсе прекратилось. Япония, где при землетрясениях гибнут единицы, в то время как в других странах — десятки и сотни, далеко обгоняет мир в борьбе со многими опасными геологическими процессами.
Ученые отмечают, что только начали искать решения проблемы. Научное понимание явления пока остается качественным и фрагментарным. Для прогнозирования будущего необходимы теоретические модели, которые будут учитывать динамику многих факторов, включая деятельность человека и изменение климата. Количественная теория, трактующая измерения и ранжирующая риски, еще не разработана. Это означает, что невозможен и точный научный прогноз с обоснованием защитных мер.
Однако возможны обходные, эмпирические пути оценки явления. Один из них — применение искусственного интеллекта. Совсем недавно с его помощью геофизики построили карту понижения уровня почвы в мире. ИИ, учитывающий 23 эмпирических параметра, обучали на данных о 46 тысячах мест просадки. Карта показала, что негативное явление затрагивает около 2 миллиардов человек. Три четверти приходится на городские и сельскохозяйственные регионы. Общая их площадь 12 миллионов квадратных километров.
Удалось выделить наиболее опасные регионы. Главные из них, где просадка превышает несколько сантиметров в год, расположены на территории США, Китая, Ирана, Индонезии, Тайваня, Вьетнама, Египта, Японии, Мексики, Италии. По числу подверженного опасности населения лидируют Индия, Китай, Индонезии, Пакистан и Бангладеш.
Причины нестабильности и разумный алармизм
Проблеме просадки грунтов, в том числе в городах, посвящены многие сотни научных статей. Геологи знают, что почва опускается под действием целого набора природных и антропогенных факторов. Основных предсказательных факторов три: извлечение подземных вод, сейсмическая активность и присутствие глины в породах.
В городах проседание в основном связано с деятельностью человека. Главной причиной здесь ученые считают первую. Забор воды понижает общий уровень грунтовых вод и создает в земле дополнительные пустоты, которые заполняются при ее уплотнении. Наряду с этим в городах происходят изменения грунтов, связанные со строительством, и появляются нагрузки из-за веса зданий, которые ведут к нарушениям, изостазии. Вибрация почвы из-за движения транспорта и прокладка подземных туннелей тоже способствуют проседанию. Например, в Пекине в районе метро и автомагистралей оно особенно велико и составляет 4,5 сантиметра в год.
По-видимому, должен существовать оптимальный и научно обоснованный размер городского поселения и плотности населения в нем. И они разные для разных почв. Мегаполисы как таковые опасны и для человека, и для природы. Она сама ведет людей к мысли о вреде человейников. Разумным госпрограммам государств следует делать упор на развитие небольших городов.
Геофизики считают, что исследовательское сообщество должно использовать спутниковую информацию для градостроительных работ. Тем более что такие данные часто открыты. Так, специалисты всего мира, в том числе и в России, используют снимки европейских спутников Sentinel 1,2, чтобы точно оценить последствия добычи полезных ископаемых для локального рельефа.
Ученые призывают коллег перейти от измерений к оценке последствий и поддержке превентивных мер. Особого внимания требуют прибрежные города самых разных стран. Эти регионы, где расположено большинство мегаполисов, наиболее уязвимы. Дело усугубляют миграция населения в более процветающие прибрежные районы и ускоренное повышение уровня моря.
К сожалению, там, где последствия известны ученым, например в Китае, общество не воспринимает как угрозу медленное и незаметное для большинства людей опускание земли. Соответственно, нет и срочных политических решений, и экономических мер, хотя крупные государственные программы должны были быть давно приняты.
Геофизики отмечают, что проседание почв недооценивают во всех странах. К нему привыкли. В глобальных обсуждениях изменения климата преобладают дискуссии о воздействии на прибрежные регионы опасных наводнений и эрозии почв. Так проблема опасного оседания суши перемешается на третий план. Во многих странах проседание почвы даже не входит в вопросы государственной политики, хотя правительства давно должны были перейти от реакции на явление к активным стратегиям его предупреждения.
Если же человечество не изменит эту ситуацию, то в ближайшие несколько десятилетий может столкнуться с широкомасштабным разрушением городской инфраструктуры. Угроза проседания грунта гораздо реальнее и встречается гораздо чаще, чем принято считать. Пострадать от нее может пятая часть населения мира. Однако, несмотря на алармистские сообщения прессы, время у человечества еще есть.
А. Гурьянов
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/kiosk2024/
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал
– Редакция «Химии и жизни»