CC BY
40
ПРОВАЛЫ НА ТЕРРИТОРИИ СВЯТО-ТРОИЦКОГО СЕРАФИМО-ДИВЕЕВСКОГО МОНАСТЫРЯ И СЕЛА ДИВЕЕВА НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ
DIPS IN THE TERRITORY OF THE SVYATO-TROITSKIJ SERAFIMO-DIVEEVSKIJ MONASTERY AND THE DIVEEVO VILLAGE, NIZHNI NOVGOROD REGION
B.B. Михайлов, C.H. Чернышев
V.V. Mikhailov, S.N. Chernyshev
МГСУ
В статье рассматриваются события, указывающие на наличие большой карстовой полости в карбонатных породах казанского яруса в селе Дивеево Нижегородской области. Статья посвящена анализу макросейсмических данных с целью подойти к оценке ее размера.
The article deals with the events that indicate the presence of a large karst cavities in the carbonate rocks of Kazanskij tier in the Diveevo village Nizhny Novgorod region. This article analyzes the macroseismic data in order to approach the assessment of its size.
Районный центр Нижегородской области село Дивеево с населением около 10 000 человек в последние два десятилетия быстро растет в связи с возобновлением всемирно известного православного культурного центра Свято-Троицкого Серафимо-Дивеевского монастыря. В монастыре более шестисот насельниц, большой штат работников, поддерживающих обширное хозяйство по приему, размещению и обслуживанию сотен и тысяч паломников, ежедневно прибывающих в эту отдаленную от городов сельскую местность со всех концов России и из-за рубежа со всех контнентов. В больших объемах ведутся сельскохозяйственные работы, строительство храмов, дорог, индивидуальных домов, частных гостиниц, различных сооружений инженерной инфраструктуры.
В связи с этим актуальна тема инженерно-геологических условий села. Согласно Инженерной геологии СССР (т. 1, Москва 1971г.) его территория находится в зоне активного проявления карбонатного карста. Однако на территории села Дивеева до последнего времени карст не был отмечен. Но он изучен сотрудниками РГГУ в городе Сарове, расположенном в 15 км от села Дивеева и в тех же геолого-структурных условиях. Нами впервые обнаружено и ниже описано карстопроявление на территории Дивеева. Есть тут и провалы другого генезиса.
На территории монастыря до его возникновения, в XVIII веке велась подземная добыча железной руды из флювиогляциальных отложений днепровско-московского межледниковья. Они представлены флювиальными кварцевыми песками с косой слоистостью озерно-ледниковыми глинистыми образованиями. Отложения залегают на днепровской морене, маломощной, сохранившейся локально. Они перекрыты покров-
ными суглинками и глинами, лессовидными, слабопросадочными. Просадочные деформации характерны для ряда зданий села Дивеева. Ими было подвержено здание бывшего райкома партии, ныне монастырская гостиница, здание районной типографии на Первомайской улице. Сильным деформациям, судя по обследованию для реставрации, сразу после постройки в XVIII веке подверглась сельская церковь Казанской иконы Божией матери. Это указывает на актуальность изучения просадочности покровных лессовидных отложений в Дивееве и его осваиваемых окрестностях.
Упомянутые песчаные флювио-гляциальные отложения включают стяжения бедных лимонитовых руд. Они разрабатывались подземным способом. На них базировалось металлургическое производство и металлообработка в городах Выксе и Павлово-на-Оке, известные высоким качеством стальных изделий. Добыча велась через дудки, очевидно, с устройством горизонтальных рассечек, которые в песках крепились деревом. Толща песков не обводнена до глубины 15-20 метров, и потому доступна для такой разработки. Гниение деревянной крепи привело к сдвижениям поверхности и провалам. При выборе места для Свято-Троицкого собора одна из площадок была отвергнута по причине многочисленных провалов, вызванных тогда еще недавними разработками руды.
Провалы над древними горными выработками затухают во времени, но еще проявляются на территории монастыря, которая в своей восточной части сильно поражена древними разработками. Здесь отмечается три провала.
Первый из них на проезжей части внутримонастырской дороги к северу от алтаря Троицкого собора и на расстоянии 50 метров от него. Диаметр воронки около 5 метров. Асфальт разорван, имеются стоки в которые уходит ливневая и талая вода с обширной территории в несколько гектаров. Нельзя исключать, что здесь имеет место суффозионно-карстовый процесс.
Вторая воронка отмечена на перекрестке Школьной и Первомайской улиц. Она расположена за пределами дорожного полотна. В нее попадают ливневые и талые воды, идущие по кювету с территории более 10 гектар. Воронка принимает стоки любых ливней. Диаметр ее около 15 метров. На периферии воронки, на расстоянии 10 метров от ее центра, нами для целей поиска Святой Канавки был пройден глубокий шурф, в котором отмечено резко аномальное залегание слоев. Фрагменты почвенного слоя встречены на глубине 5 метров с глыбами подстилающих пород под лессовидными переотложенными суглинками. Это следы древнего обвала. Очевидно здесь была дудка, территория подработана добычей руды. К настоящему времени она в основном стабилизировалась.
Третий провал обнаружен рядом, на Школьной улице при обследовании старого монастырского корпуса литографии весной 2010 года под южной стеной корпуса. Под кирпичным ленточным фундаментом конца XIX века шурфом вскрыта воронка. Отрыв грунта от фундамента отмечен на расстоянии 1,5 метров. Ввиду высокой прочности фундамента (кирпичная кладка на известковом растворе) трещин в фундаменте и стене нет. В центре воронки при вскрытии обнаружена «нора», диаметром около 30 см., которая поглощала сухой песок и а процессе работ была засыпана. Рядом в шурфах обнаружены многочисленные остатки металлургического шлака и следы древних обрушений и оползаний горных пород.
В статье рассматриваются события, указывающие на наличие большой карстовой полости в карбонатных породах казанского яруса в селе Дивеево Нижегородской области. 10 Августа 2005 года на территории села произошло редкое событие. При проходке колодца было отмечено локальное землетрясение, очевидно вызванное обвалом
кровли в карстовой полости. Статья посвящена анализу макросейсмических данных с целью подойти к оценке размера карстовой полости.
Под карстом понимают совокупность процессов и явлений, связанных с растворением трещиноватых горных пород с образованием отрицательных форм рельефа на поверхности земли, а также различных полостей, каналов и пещер в глубине. Необходимые условия развития карста это наличие растворимых горных пород, их трещино-ватость, а также растворяющая способность воды и ее активная циркуляция по трещинам. Вызванные карстом провалы и оседания земной поверхности представляют значительную опасность для существующих и проектируемых зданий и сооружений. Изучение их актуально для оценки риска строительства на закарстованной территории и прогноза сохранности уже существующих сооружений.
Село находится на западном пологом склоне Приволжской возвышенности, на водоразделе рек Мокши и Суры. Рельеф местности полого-волнистый с характерными уклонами 2-4%. Территория сложена карбонатными породами казанского яруса пермской системы, закрытыми лессовидными покровными отложениями, а также Днепропетровской мореной и флювиогляциальными отложениями. Мощность четвертичного покрова от нескольких метров до 20-30 метров. Казанский ярус сложен доломитами, серыми и желтыми, местами окремнелыми, известняками с прослоями мергелей и карбонатных глин. В породах казанского яруса обычно имеется карст. Пещеры карстового происхождения известны в Саровском монастыре, расположенном в 15 км. по прямой от с. Дивеево.
На территории села Дивеево карстовых явлений ранее не отмечалось, однако 10 августа 2005 г. на Лесной улице дом 16 произошел случай, указывающий на наличие крупной карстовой пещеры в Казанском ярусе. При ручной проходке колодца по вышеуказанному адресу, вода в четвертичных отложениях не была обнаружена, коренные породы были встречены на глубине около 12 метров, в виде плитчатых глинистых известняков, проходку решили продолжить с помощью зубила и кувалды. При заглублении в коренные породы на глубину примерно 0,5 метров проходчик ощутил сильное сотрясение дна и крепежа колодца. При этом обсадные кольца и дно колодца сохранились, через дно быстро начала поступать вода. Хозяйка ощутила сильный удар в доме, находящемся на расстоянии около 3 метров от устья колодца. Лампада, висевшая на цепочках зависла в воздухе, потом опустилась и начала качаться. В соседнем доме, находящимся примерно в 70 метрах от колодца люди, сидевшие за столом также ощутили сотрясение, они прибежали во двор, где делали колодец, чтобы узнать, что случилось. Из домов, находящихся в 100 метрах сведений о сотрясении не было. Можно сделать вывод, что это землетрясение близповерхностное и локальное с эпицентром у строящегося колодца.
От ударов кувалдой под колодцем в подземной пещере, наполненной водой, произошел обвал свода. Через утонченный сохранившийся свод и открытые трещины в колодец начала поступать вода, которая установилась на высоте примерно 1 метр над забоем. Это был удар, пришедший снизу. На поверхности земли каких-либо событий, которые могли бы вызвать землетрясение, не было. По реакции людей и их описанию произошедшего силу землетрясения можно оценить в 5 баллов на поверхности, а в забое в 6 баллов по шкале MSK-64.
Косвенные указания на наличие карста на Лесной улице села Дивеево имеются. Во-первых, старожилы улицы указывают, что у них был колодец, в котором было слышно журчание воды, на дне его были видны струи течения. Можно думать, что колодцем была вскрыта подземная речка. Во-вторых, при проходке нового колодца, о
1/2011
котором мы ведем речь, на поверхности коренных пород отмечены ложбины, типа карров и обнаружены обломки древесины, слабо затронутые гниением, со следами обработки инструментом. Их мог принести из соседних колодцев поток воды. Вероятно, над существующими полостями был глиняный карст в морене, полости которого соединялись с полостями карбонатного карста. К моменту проходки полостей в морене не было, что можно объяснить обрушением сводов.
Попытаемся подсчитать некоторый объем вывала, вызвавшего такое землетрясение и высоту полости. Обозначим некоторые известные нам величины и сформулируем физическую задачу. Эта задача будет сводиться к нахождению энергии удара вывала о дно пещеры. Энергия зависит от массы вывала (которая в свою очередь зависит от его объема), а также от высоты падения. Нам известна плотность материала доломита, которая равна 2,5 г/см3.
Для упрощения задачи введем некоторые допущения: форму полости после обвала примем за шар, а форму вывала как сегмент этого шара высотой равной трети радиуса шара. Введем некоторые обозначения:
.3
м
Гсеаи - объем вывала (сегмента), м - масса вывала (сегмента),
С£2М \ / ^
а - высота вывала (сегмента)
Колоспт ~ объем полости (шара), м
Я - радиус шаровой полости, м Тогда объем сегмента будет равен
V = па2 (г — 1
сегм V
кг
При данных обозначениях на рисунке, масса сегмента при известной плотности породы, падавшей в напорной воде, будет равна:
= V-1500, т. к. (р-рводы) = 2500-1000,
т„
сегмента
кг
(1)
Рис. 1. Схема шаровой полости с обрушенным сегментом.
В конце своего падения свод накопил кинетическую энергию, ту которая выделившись при ударе, создала землетрясение, и по закону сохранения энергии при свободном падении
Е - ~~, Дж, где о2 = 2g5а (2)
Составим систему уравнений для сегмента: то2
Е = ■
2
о2 = 10 ga,
т = V (р-1000), (3)
V = па2 (Я - 1 Я = 3а
Сгруппируем первое уравнение с остальными, получим исходное уравнение, связывающее энергию удара и высоту обвалившегося сегмента.
з
V - к а
' а 8ла' 3а--
V 3 у
3
3
т = 1500-- 4000^а
3
Е = 4000™_101а = 20000,gа4
-1-4[Ё
V 20000^
Первый радикал приблизительно равен 0,03552 а = 0,03552^ (4)
тогда ввсота палдения (диаметр выемки) Б = 6а = 0,2131-^Ё Найдя из (4) величину а, мы сможем вычислить массу вывала, его объем и объем
а = 4
полости:
Мсегм=12 560а3 - масса вывала (кг)
Vceгм=8,3733a3 - объем вывала в виде сегмента (м3)
Vпопости=113,04а3 - объем шаровой полости (м3)
Для решения задачи - нахождения величины а, необходимо определить Екин. Для ее определения свяжем две известные величины - интенсивность землетрясения на поверхности и глубину гипоцентра. Надо воспользоваться прямой зависимостью между энергией, балльностью и глубиной Н. В. Шаболина:
^ Е = 13,1 + 21ё к + 0,004к + 0,710 (5)
Где Е - энергия землетрясения. (в Эрг.)
к - глубина гипоцентра. (в км.)
10 - балльность землетрясения в эпицентре. (в баллах)
Для нахождения энергии нам необходимо знать, на какой глубине произошел обвал. Поскольку эта величина нам не известна, необходимо сделать еще одно допущение. Локальное землетрясение было близповерхностное; по словам хозяйки дома, находившейся непосредственно около колодца, сотрясение было довольно сильным, на расстоянии примерно в 70 метров от колодца оно было ощутимо на уровне 3-х баллов. Отсюда мы можем предположить возможную глубину гипоцентра.
Колодец был вырыт на глубину 12,0 метров. Дно его не обрушилось. После события 10 августа проходка была продолжена и он был углублен до 14,0 метров. Очевидно, под дном находилось не менее метра породы. Оторвавшаяся от свода пещеры масса пролетела некоторое расстояние и ударилась о дно пещеры. Удар был один, он вызвал сотрясение, ощутимое на площади около 1 га. Предположим, что высота падения вывала была 15 метров. Тогда значение глубины гипоцентра в первом приближении можно принять 30 метров.
Расстояние от гипоцентра до дна колодца соответственно меньше и равно 15 метрам. Выполним расчет по макросейсмическому эффекту на поверхности: к = 0.030 км., 10 = 5 баллов ^Е=13.1+2^0.030+0.004*0.030+0.7*5=13.55 Е=1014 Эрг. = 107 Дж (по системе СИ)
Вторично определим энергию по макросейсмическому эффекту на дне колодца:
к = 0.015 км., 10 = 6 баллов
^Е=13.1+2^0.015+0.004*0.015+0.7*6=13.65
Е=1014 Эрг. = 107 Дж (по системе СИ)
Шагами меняя к, попытаемся сблизить энергию на поверхности и на дне колодца. Опуская все выкладки и расчеты находим, что расстояние от дна колодца до места удара равно 0,0165 км. Тогда глубина гипоцентра к, равна 0,0315 километров. к = 0.0315 км., 10 = 5 баллов ^Е=13.1 +2^0.0315+ 0.004*0.0315+0.7*6=13.59 Е=1014 Эрг. = 107 Дж (по системе СИ) Тогда а = 2 м., отсюда получим диаметр выемки. Н = 6а = 12 м.
Тогда, глубина гипоцентра равна 15 + 12 = 27 метров, что практически сходится с предположением о глубине гипоцентра в 30 метров, оставим это значение глубины для дальнейших расчетов.
кеые = 2 м. Vвыв = 66,7 м3. ^
Vnoлocmu "00,3 М . твыв = 100 т.
В полости 12 М.
Следовательно, под домом в с. Дивеево имеется полость, размер которой по диаметру превосходит длину стороны дома. Ширина этой полости не менее 10 метров, расстояние от колодца до дома около 3 метров: дом частично находиться над полостью.
Нам не удалось ограничить размер полости по максимуму, т. к. неопределенной остается доля высоты вывала от диаметра полости. Однако, с практической точки зрения это не так важно, как ограничение диаметра по минимуму, поскольку вычисленный так диаметр больше стороны основания здания.
Литература:
1. Инженерная геология СССР. Главный редактор Е. М. Сергеев. т. 1, Русская платформа. Изд. МГУ. Москва 1978г. стр. 527
2. Сейсмическое районирование СССР. Медведев С. В.
3. Чернышев С. Н. Инженерно-геологические условия, фундаменты и грунтовые сооружения Свято-Троицкого Серафимо-Дивеевского женского монастыря. Вестник МГСУ №1. 2009г. стр. 77-85
Literature:
1. Inzhenernaya gyeologiya SSSR. Glavnyj redaktor E. M. Sergeev. t. 1, Russkaya platforma. Izd. MGU. Moskva 1978. p. 527
2. Seismicheskoe raionirovanie SSSR. Medvedev S. V.
3. Chernyshev S. N. Inzhenerno-gyeologicheskie usloviya, fundamenty i gruntovye sooruzhe-niya Svyato-Troitskogo Serafimo-Diveevskogo zhenskogo monastyrya. Vestnik MGSU №1. 2009. p. 77-85
Ключевые слова: Провалы, карст, сдвижение горных пород, вывал породы, землетрясение, мак-росейсмический эффект, Нижегородская область, село Дивеево, территория монастыря.
Keywords: dips, karst, subsidence of rocks, inrush rocks, earthquakes, macroseismic effect, Nizhni Novgorod Region, village of Diveyevo, the territory of the monastery.
Статья представлена членом Редакционного совета «Вестника МГСУ» д.т.н. Потаповым А.Д.
