CC BY
1
УДК 069.21; 699.874; 691.215.1
DOI 10.29003/m3532.0514-7468.2019_45_4/505-518
СОСТОЯНИЕ БЕЛОГО КАМНЯ АРХИТЕКТУРНО-ИСТОРИЧЕСКОГО ПАМЯТНИКА МОСКВЫ XV-XVII вв.
Т.Т. Абрамова*
Построенный с использованием белого камня более пяти веков тому назад уникальный архитектурный памятник Отечества (единственное строение, сохранившееся от усадьбы бояр Романовых), расположенный в Зарядье, стоит до настоящего времени и сейчас в нём находится музей «Палаты бояр Романовых». Однако каменная кладка начала разрушаться под воздействием воды, мороза и техногенных нагрузок. Территория, на которой располагается памятник, характеризуется развитием неблагоприятных инженерно-геологических процессов, главный из которых - подтопление. Избыточное содержание влаги в порах известняка, насыщенного агрессивными компонентами, привело к развитию его растворения, выщелачивания и кристаллизации солей на поверхности и внутри каменной кладки. Изучение процессов выветривания известняков осуществлялось на образцах, отобранных из разных мест памятника, характеризующихся разной структурной устойчивостью.
Ключевые слова: памятник, белый камень, агрессивные компоненты, выщелачивание, кристаллизация, солевая коррозия, структурная неустойчивость, микромицеты (плесневые грибы), микробиота, биодеструкторы.
Ссылка для цитирования: Абрамова Т.Т. Состояние белого камня архитектурно-исторического памятника Москвы XV-XVII вв. // Жизнь Земли. 2023. Т. 45, № 4. С. 505-518. DOI: 10.29003/m3532.0514-7468.2019_45_4/505-518.
Поступила 13.09.2023 / Принята к публикации 29.11.2023
WHITE STONE CONDITION OF MOSCOW'S ARCHITECTURAL AND HISTORICAL MONUMENT OF THE 15-17th CENTURIES
T.T. Abramova, PhD
Lomonosov Moscow State University (Faculty of Geology), attoma@mail.ru
Built over five centuries ago using white stone, this unique Russian architectural monument stands as the sole surviving building from the estate of the Romanov boyars, located in the ancient part of Moscow known as "Zaryadye." Today, it serves as the museum "Chambers of the Boyars of the Romanovs." However, the masonry has begun to collapse under the influence of water, frost, and various technogenic loads.
The monument's location is characterized by the presence of unfavorable engineering and geological processes, with flooding being the main issue. This has led to a rise in groundwater levels and their constant interaction with the foundation's soil. The excess moisture content in the limestone pores, saturated with aggressive components (SO42-, NO3-, Cl), has led to limestone dissolution and leaching, as well as salt crystallization both on the surface and inside the masonry.
To understand the weathering processes affecting the limestone, researchers conducted a study on samples taken from several parts of the monument, dividing them into several groups based on their structural stability. The results revealed that the structurally unstable, completely destroyed to a dispersed state (reminiscent of flour) samples, displayed significant changes in their physical, mechanical and chemical properties. This was due
* Абрамова Тамара Тарасовна - к.г-м.н., с.н.с. геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, attoma@mail.ru.
Жизнь Земли 45(4) 2023 505-518 5 05
to the leaching of calcite, leading to a decrease in its content from 99 % down to 40-45 %, and an increase in porosity from 15 % up to 49 %, resulting in a density reduction from 2.29 down to 1.32 g/cm3.
The study also found that microbial components in the stone could also lead to an increase in the content of finely dispersed fractions. The walls of the monument, both inside and outside, were found to be colonized by mold fungi (9 species) and bacteria (2 species). The genera Penicillium (5 species) and Aspergillus (2 species), renowned as biodestructors of stone materials, were the most prevalent among the identified species. The content of these micromycetes varied significantly (ranging from 300 to 105 CFU/g) depending on the sampling location.
Keywords: monument, white stone, aggressive components, leaching, crystallization, salt corrosion, structural instability, micromycetes (mold fungi), microbiota, biodestructors.
For citation: Abramova, T.T., "White stone condition of Moscow's architectural and historical monument of the 15-17th centuries", Zhizn Zemli [Life of the Earth] 45, no 4, 505-518 (2023) (in Russ., abstract in Engl.). DOI: 10.29003/m3532.0514-7468.2019_45_4/505-518.
Введение. Разрушение природного камня - глобальный биосферный процесс. Выветривание карбонатных и силикатных пород на протяжении веков и тысячелетий приводило к изменению ландшафтов, образованию первичной почвы, формированию литобионтных сообществ. Представление о камне как о чём-то исключительно прочном сложилось, вероятно, на опыте нескольких поколений. С исторической же точки зрения прочность камня и каменных сооружений весьма сомнительна. Недошедшие до настоящего времени многочисленные памятники архитектуры и искусства многих цивилизаций - свидетельство тому, что времени подвластен и камень.
В современных антропогенных ландшафтах архитектурные сооружения из природного камня занимают центральное место.
Как продлить жизнь архитектурных творений, а не заменять их современными новоделами? Этот вопрос на сегодняшний день является актуальным, т. к. многие здания находятся в аварийном состоянии. Кроме того, двадцатый век - век бурного технического развития - наряду с различными достижениями породил огромные экологические проблемы, которые вели к проявлению агрессивности природной среды. Строительный камень архитектурных памятников в настоящее время выщелачивается и корродирует гораздо интенсивнее, чем сто и более лет тому назад.
Особенно чувствительно реагирует на изменение состояния окружающей среды белый камень древних построек и сооружений, разрушение которого в городских условиях начинает протекать гораздо интенсивнее. Одним из таких объектов является памятник XV-XVII вв., ранее принадлежавший династии Романовых, расположенный в древнейшей части Москвы, на улице Варварка.
Построенный более пяти веков тому назад уникальный архитектурный памятник (Палаты бояр Романовых) стоит до настоящего времени. Однако каменная кладка начала разрушаться в результате совместного действия химических, биологических и физико-механических процессов. В настоящее время стоит задача сохранить для потомства белокаменное сооружение, имеющее историческую ценность. Этому и посвящена данная работа, в которой решались следующие задачи:
• оценка инженерно-геологических условий территории памятника и изучение проявления физического и химического выветривания каменной кладки;
• исследование изменений химико-минерального состава, физико-механических свойств образцов, отобранных с территории памятника;
• оценка агрессивности микробиоты на разрушение поверхности камня.
Использование белого камня в градостроительстве. Облик городов мира создаётся веками. Труд зодчих, строителей, скульпторов и художников доносит до потомков свидетельства событий и веяния разных эпох.
Подавляющее большинство храмов домонгольской Владимиро-Суздальской и Московской земель возведено из белого камня. Рядом - в Киевской, Черниговской, Смоленской, Рязанской, Новгородской землях - всё строительство велось из кирпича (плинфы) или в смешанной технике. Белокаменное же строительство началось в середине XII века при Юрии Долгоруком и продолжалось более трёхсот лет (при этом были огромные сложности в добыче, ломке и обработке камня). А в середине XV в. произошёл практически повсеместный возврат к кирпичу. Эта ситуация в истории русской архитектуры уникальна - переход от дешёвого кирпичного зодчества к более дорогому и менее технологичному белокаменному и последующий возврат к кирпичной технике.
Белый камень и при потомках Юрия (Андрее Боголюбском, Всеволоде Большое Гнездо и др.) остался господствующим видом строительного материала. Подлинное зеркало этой эпохи - архитектура: храм Кидекши (1152 г.), стены которого украшает резьба по белому известняку; церковь Покрова на Нерли (1165 г.); Дмитровский собор во Владимире (1194-1197 гг.), стены которого почти полностью покрыты причудливой резьбой по камню и др. Возможно, что за основу белокаменного строительства берётся желание Долгорукого видеть у себя храмы, возведённые «по-европейски», как в Древнем Риме. Строительство из камня показывало государственную мощь и имперскую идеологию. То, что символизировало имперскую идеологию в Европе, должно было присутствовать во Владимире и в Москве.
Многочисленные черты сходства европейского и древнерусского скульптурного декора не отрицал практически никто. Академик В.Н. Лазарев писал, что романская традиция «просочилась в Ростово-Суздальский край не позже середины XII века» [7, с. 239], приводил примеры романских храмов с похожим декором и техникой строительства.
Историки сошлись во мнении, что в архитектуре Владимиро-Суздальской, а затем и Московской Руси имело место развитие готических тенденций, и отрицать этот факт невозможно - об этом говорят формы Успенского собора «на Городке» в Звенигороде, Троицкого собора Троице-Сергиева монастыря, собора Андроникова монастыря, да и всего шатрового зодчества XVI в.
Однако недолговечными были белокаменные постройки на Руси. Главное отличие России от Европы - климат! С суровыми русскими зимами ни одно Европейское государство не сравнится, к тому же сильные морозы несколько раз за зиму сменяются оттепелями.
При анализе поведения полубутовой кладки в российском климате выясняется, что вода, попадающая в щели кровли и кладки, проникает между облицовкой и забутовкой, и в мороз просто «отрывает» одно от другого. К тому же влага в стены «подсасывается» и снизу.
Исследователи данного вопроса признаются: если бы строили из кирпича, здание было бы влагоустойчивее и, следовательно, долговечнее. Кирпич штукатурили, тем самым достигая ещё большей влагоустойчивости. А в случае белого камня эта «спираль» раскручивается в обратную сторону: неустойчивую к влаге белокаменную кладку к тому же не покрывали штукатуркой.
В оправдание Юрию Долгорукому, начавшему строить «по-европейски», скажем лишь, что предвидеть такое поведение полубутовой кладки в российских условиях вряд
ли кто-либо был способен. Если на Руси и имелся опыт работы с белым камнем, то это было в Галиче, где климат вполне европейский.
В продолжение вопроса о сохранности белокаменных построек следует добавить ещё одну причину - отсутствие должного ухода за храмами (чем лучше уход, тем храм долговечнее). В российском климате хороший уход за белокаменными зданиями был особенно важен, но его не было и не могло быть в условиях и монгольского нашествия, и лихолетья времён Дмитрия Шемяки, и Смутного времени, и вековой российской бесхозяйственности. Очень многое зависело и от «форс-мажоров» - пожаров и ураганов, от «субъективных факторов» - нерачительных настоятелей или церковных старост, вовремя не замечавших протечку кровель.
Так и получилось, что одни храмы пришли в аварийное состояние и были разобраны (или обрушились) через 500-700 лет после постройки, а другие дошли до наших дней. Один из таких - уникальный памятник Отечества, редкий образец гражданского зодчества средневековой Руси, единственное строение, сохранившееся от усадьбы бояр Романовых - музей «Палаты бояр Романовых», расположенный в древнейшей части Москвы (Зарядье, ул. Варварка).
Выветривание каменной кладки памятника. Более чем за пять веков памятник так врезался в склон Псковской горки, что подклет и большая часть первого этажа оказались скрыты землёй (рис. 1а). Его территория в геоморфологическом плане приурочена к долине р. Москва. Здание располагается на поверхности второй надпойменной террасы реки и в зоне тылового шва; поверхность террасы снивелирована (рис. 1б).
По данным Мосгоргеотреста [9], выполнявшего инженерно-геологические изыскания, грунтами основания здания являются верхнечетвертичные аллювиальные отложения (aQз2), тугопластичные суглинки и мелкозернистые пески. В результате исследований установлено, что территория характеризуется развитием неблагоприятных инженерно-геологических процессов, главный из которых - подтопление [1]. Основными его причинами являются: 1) мощный слой техногенных образований; 2) врезка здания в склон второй надпойменной террасы; 3) разгрузка вод первого от поверхности водоносного горизонта частично через подвальную часть основного здания; 4) нарушение поверхностного стока (отсутствие испарения) за счёт асфальтового покрытия территории, что приводит к аккумуляции и фильтрации воды, способствуя подъёму уровня грунтовых вод на отдельной небольшой территории (это стало постоянным источником обводнения фундамента и стен подвального помещения памятника). Повышение уровня грунтовых вод приводит к обводнению грунтов зоны аэрации, увеличению общей минерализации и агрессивности грунтовых вод при их фильтрации через техногенные образования. Подтопление приводит к капиллярному подъёму воды и постоянному взаимодействию известняков, слагающих подвальную часть памятника, с поровыми водами.
Территория памятника находится близко к автомобильной дороге, соединяющей Китай-город с Красной площадью (рис. 1в), и Государственной электростанции № 1 (700 м), обеспечивающей тепловой и электрической энергией центральный округ Москвы. Электростанция имеет очень низкие трубы, т. к. стала первой в городе (построена в 1897 г.). Всё это приводит к загрязнению воздушного бассейна не только пылью, но и окислами азота и серы, углекислым газом, пятиокисью ванадия и др.
Таким образом, поднятие уровня грунтовых вод в Москве более чем за пять столетий привело к подтоплению данного сооружения, а техногенная нагрузка на грунтовые воды способствовала их общей минерализации и агрессивности по отношению к грунтам основания.
в
Рис. 1. Палаты бояр Романовых: а - южный фасад; б - восточный фасад; в - северный фасад и ул. Варварка, соединяющая Китай-город с Красной площадью.
Fig. 1. Chambers of the Romanov boyars: а - southern façade; б - eastern façade; в - northern façade and Varvarka St. connecting Kitay-Gorod with Red Square.
Взаимодействию карбонатных минералов с воздухом, водой, кислородом, углекислой и органическими кислотами посвящены работы [4, 8, 13 и др.]. Выявлено, что химическое воздействие на карбонатные породы усиливается находящимися в воде растворёнными ионами, такими как HCO3-, SO42-, HCO3-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+.
Для оценки изменения состояния известняков здания, происходящего в результате процесса их выветривания, были отобраны образцы из различных мест памятника для изучения в лабораторных условиях после официального разрешения администрации музея «Палаты бояр Романовых».
Полученные результаты литолого-петрографических исследований белого камня данного исторического сооружения позволяют отнести изученные известняки к мячков-скому горизонту. Это органогенно-обломочные известняки (карбонатный пелитоморф-ный цемент). Обломочная часть известняков представлена как зёрнами кальцита, так и фауной от микрораковин до раковин крупного размера. Раковинный детрит состоит из фрагментов фораминифер, криноидей, брахиопод, остракод, мшанок, кораллов, трубочек, червей. Пористость пород представлена ультрапористостью и порами-микрокар-стовками размером от 0,04 до 0,5 мм в поперечнике. Во многих образцах наблюдается ожелезнение, которое приурочено к кавернам, порам и трещинам (рис. 2).
Исследование образцов с помощью электронного микроскопа LED-1450-VP с приставкой INGA-300 показало, что пелитоморфные известняки сложены в основном
Рис. 2. Фото шлифов известняка, отобранных с фасада памятника (20x0,2; скрещенные николи).
Fig. 2. Photo of limestone thin sections taken from the façade of the monument (20x0.2; crossed nicols).
зёрнами кальцита различной дисперсности. Мелкие зёрна сцементированы в агрегаты. Их поверхность не разъедена (рис. 3а). Однако в некоторых образцах растворение поверхности кальцита произошло настолько сильно, что структура стала напоминать ячеисто-сотовую (рис. 3б). В других случаях на растворённой поверхности кальцита-1 нарастают нитевидные кристаллы кальцита-2, в сильной степени изогнутые и скрученные, которые создают «мостики-маты» между зёрнами (рис. 3в). Нитевидные кристаллы -своеобразная и относительно редкая форма. Размер зёрен кальцита от 1-2 до 20 микрон, длина нитей до 20-60 микрон [12].
Все изученные образцы были разделены на три группы. К I и II отнесены структурно-устойчивые; II группа образцов отличается от первой тем, что, сохраняя свою незначительную прочность, они начинают отслаиваться от каменной кладки. В III группу включены образцы, полностью разрушенные до дисперсного состояния, напоминающего муку (табл. 1).
Из приведённых данных химического состава изученных образцов видно, что содержание CaO и кальцита значительно снижается у образцов, полностью потерявших структурную устойчивость. Для них характерно высокое содержание SO3- (до 1,54 %) (см. табл. 1) и сухого остатка (до 6,7 %), что говорит об их засолённости.
Изменение физико-механических свойств пород подчиняется известным закономерностям. За счёт выщелачивания кальцита и солеобразования пористость выветрелых образцов возрастает с 15 до 49 %, что ведёт, соответственно, к уменьшению плотности с 2,29 до 1,32 г/см3. Изучение состава и свойств образцов показало, что порода обладает большой влагоёмкостью и малой сопротивляемостью к агрессивным и минерализованным водам, из-за чего блоки известняка, слагающие стены белокаменного подвала и лестничные проёмы, всё время находятся во влажном состоянии.
Рис. 3. Кальцит в образцах известняка, снимки в отражённых электронах: а - зёрна кальцита (Mag = 4.00KX; EHT = 30.00kV); б - разъеденные зёрна кальцита (Mag = 30.00KX; EHT = 30.00kV); в - скрученные нити кальцита (Mag = 10.00KX; EHT = 30.00kV). Фото В.Н. Соколова.
Fig. 3. Calcite in limestone samples, reflected electron images: a - calcite grains (Mag = 4.00KX; EHT = 30.00 kV); b - corroded calcite grains (Mag = 30.00KX; EHT = 30.00 kV); c - twisted calcite threads (Mag = 10.00KX; EHT = 30.00 kV) (photo by V.N. Sokolov).
Известно, что большинство памятников Москвы подвержено формированию высолов. Эта проблема актуальна не только для Москвы. Проявление высолов встречается во многих российских городах, а также в других городах мира (Риме, Флоренции, Мюнхене и др.).
Исследованиями ряда учёных определено, что выделение на поверхности камня солевых новообразований (высолов) может привести как к частичному, так и к полному его разрушению [2, 8, 10, 14, 16].
Авторы работы [10] считают, что кристаллизация солей на поверхности и внутри строительных конструкций памятников происходит на гидрохимических барьерах испарительного типа. На них резко изменяется физико-химическая обстановка, уменьшается интенсивность миграции солей и увеличивается их концентрация.
В работе [15] выдвинута новая гипотеза: формирование соляных кристаллов достигает максимума в условиях критического уровня влажности. Соляные кристаллы формируются на границе воздушной и водной сред, где концентрация соли максимальна. Как только соляные кристаллы сформированы, они становятся источником впитывания влаги из воздуха, увеличивая таким образом процесс роста кристаллов. В соответствии с этой концепцией, повреждения пористой породы вызываются скорее силой сдвига, чем высоким давлением расширения.
Таблица 1. Химический и минеральный состав изученных образцов Table 1. Chemical and mineral composition of the samples examined
Тип образца № обр. Химический состав, % Минер. состав,%
Солянокислая вытяжка
М.Н.О. П.П.П. CaO MgO MnO FeO SO3- Кальцит
Структур-но-устойчи-вые I 1 0,62 43,50 54,25 0,38 0,02 нет 0,02 99,0
2 3,05 42,63 52,22 0,88 0,02 0,07 нет 98,5
3 4,93 41,86 51,03 0,81 0,02 0,16 0,09 98,0
4 3,64 40,72 48,48 1,77 0,02 0,05 0,03 97,0
II 7 2,87 43,26 52,91 нет 0,02 0,07 0,02 89.0
9 3,53 42,75 51,87 1,01 0,02 0,03 нет 80,2
12 2,86 43,42 51,10 0,13 0,02 0,05 0,18 75,5
Структурно-неустойчивые III 14 1,70 42,82 42,41 9,20 0,03 0,08 1,12 42,5
15 3,67 41,58 45,32 1,89 0,03 0,05 1,54 45,0
16 15,70 37,76 41,13 1,64 0,03 0,05 0,37 40,0
Примечание: М.Н.О. - минерально-нерастворимый остаток; П.П.П. - потеря при прокаливании.
В составе новообразований данного памятника В.Г. Шлыковым1 выделено 15 минералов, подразделяющихся на 4 группы:
1. Карбонаты: кальцит СаС03; брейнерит Mg(Fe)COз; анкерит Ca(Mg, Бе)(С03)2; термонатрит №28 04-Н20; трона №2С03-№НС03-2Н20; гейлюссит №2Са(С03)2-5Н20.
2. Сульфаты: ангидрит Са804, тенардит №28 04, гипс Са804-2Н20.
3. Хлориды: галит №С1.
4. Нитраты: калиевая и натриевая селитры К(№^03 (6 из них - кристаллогидраты).
Преобладающие минералы - галит, гипс, селитра. Кристаллизация солей внутри
породы - вначале скрытый процесс и обнаруживается только с появлением новообразований на поверхности известняка (рис. 4). Гидратация солей приводит к увеличению их объёма и может соответствовать давлению до 10 МПа (рис. 5). Под действием давления растущих кристаллов порода разрушается.
Избыточное содержание в порах породы влаги, насыщенной агрессивными компонентами, такими как 8042-, 803-, N0^, С1-, вызывает развитие процессов растворения, выщелачивания. Появление новообразований на поверхности известняка приводит к образованию каверн и разрушению каменного материала до мучнистого состояния.
Наибольшее влияние на химизм атмосферных осадков и, как следствие, на состав подземных вод оказывает сернокислый ангидрид, в результате взаимодействия которого с природными водами образуется ион 8042-.
Образование гипса на поверхности карбонатных пород часто описывается реакцией СаС03 + Н2804 + Н20 = Са804 • 2Н20 + Н20 + С02. Однако причины появления ионов серной кислоты на поверхности пород всё ещё обсуждаются. Известно, что основным источником серы в городской атмосфере является газ 802 от автомобильных выхлопов. При этом считается, что серная кислота образуется при реакции оксида серы 803 с водой. Проблема заключается в том, что реакция между газами 2802 + 02 = 2803 проходит только при температуре выше 450 °С в присутствии катализатора, что неосуществимо в
1 Шлыков Валерий Георгиевич (1941-2006) - к.г.-м.н., с.н.с. кафедры грунтоведения и инженерной геологии геологического ф-та МГУУ проводивший исследования минерального состава грунтов.
Рис. 4. Новообразования на поверхности каменной кладки. Fig. 4. New formations on the surface of the masonry.
Рис. 5. Гидратация солей в древнем известковом растворе каменной кладки XV в. Фото В.Н. Соколова.
Fig. 5. Hydration of salts in the ancient lime mortar of the 15th century masonry (photo by V.N. Sokolov).
условиях атмосферы. Поэтому возникает вопрос, когда и где диоксид серы превращается в серную кислоту. Согласно гипотезе [11], происходит следующая цепь реакций: SO2 + H2O ^ H2SO3, 2HSO3- + O2 ^ 2SO42- + 2H+ или SO32- + H2O ^ H2SO4. Это может быть
Таблица 2. Результаты микробиологического анализа проб белого камня (по материалам Д.Ю. Власова и Ю.А. Петушковой) Table 2. Results of microbiological analysis of white stone samples (based on materials from D.Yu. Vlasov and Yu.A. Petushkova)
Место отбора Характер повреждений Микроорганизмы, обнаруженные в пробах Число КОЕ в 1 г пробы
Наружная стена (восточная) (XV в.) Тёмный налет Грибы: Aspergillus glaucus A. ustus Chaetomium globosum Pénicillium canescens P. herquei P. lanosum P. purpurogenum P. waksmani Stachybotrys chartarum 500-1000
Внутренняя стена памятника (западная) (XV в.) Разрушение камня (отшелушивание) Грибы: Pinicillinium sp. 300-500
Парадная лестница (улица, XIX в.) Микроводорослевое обрастание белого камня Грибы: Tritirachium sp. Alternaria sp. Cladosporium sp. Aspergillus sp. Бактерии: Bacillus sp. Rhodococcus sp. 5 • 104-105
Надгробный камень (улица, XVII в.) Бурая пигментация Грибы: Cladosporium sp. Paecilomyces sp. Aspergillies sp. 103-104
реализовано в некотором объёме дождевой воды при длительном контакте с атмосферой. Возможно, эти реакции привели к образованию кристаллов гипса на поверхности каменной кладки.
Среди других факторов, оказывающих наиболее заметное влияние на деструкцию камня памятника, можно назвать биологическое окружение (микроорганизмы). Важную роль изучения биотической составляющей грунта для инженерной геологии, диагностики происхождения отдельных пород и грунтов, а также ряда геологических процессов академик Е.М. Сергеев2 подчеркнул ещё в конце 70-х гг. прошлого столетия. Микробиологическим путём возможно также новообразование карбонатов, гётита, гематита и других сульфидных минералов. Образование карбонатов осуществляется при участии многих микроорганизмов и обусловлено взаимодействием выделяемой в процессе дыхания и брожения углекислоты с имеющимися в среде катионами. При избытке серы накопление карбонатов в форме кальцита, арагонита или апатита происходит в результате сульфатредукции. При окислении железа микроорганизмами образуется минерал ферригидрит, который неустойчив и самопроизвольно превращается в гётит или гематит [3].
2 Сергеев Евгений Михайлович (1914-1989) - академик АН СССР, проф., д.г.-м.н., зав. кафедрой грунтоведения и инженерной геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с 1954 г. по 1989 г.
Микроскопические грибы (микромицеты) принимают активное участие в разрушении поверхности камня за счёт: 1) возникновения напряжений, вызываемых разрастающимся мицелием; 2) агрессивного воздействия на камень продуктов их жизнедеятельности (метаболизма); 3) использования компонентов карбонатной породы в качестве источников пищи - энергии. Влага, органические продукты и загрязнения на поверхности камня усваиваются биоорганизмами и являются стимуляторами их размножения. Авторы [6] подсчитали, что в оптимальных условиях влажности и температуры грибы могут разрушать сантиметровый слой крупнопористого белого камня за 15-20 лет.
Результаты микологических анализов (табл. 2), проведённых Д.Ю. Власовым и Ю.А. Петушковой3, показали, что поверхность камня стен с внешних и внутренних сторон памятника колонизирована плесневыми грибами (Pénicillium sp., Aspergillus sp., Cladosporium sp., Alternaria sp., Tritirachium sp.) и бактериями (Bacillus sp., Rhodococcus sp, Mycobacterium sp.). Доминирующими по числу видов оказались роды Pénicillium (P. canescens, P. herquei, P. lanosum, P. purpurogenum, P. waksmani) и Aspergillus (A. glaucus, A. ustus), известные как биодеструкторы каменных материалов. Так, например, Aspergillus sp. - род высших плесневых грибов, широко распространён в природе и очень устойчив к воздействию внешней среды. Содержание этих микромицетов на поверхности известняка в белокаменном подвале (самой древней части памятника XV в.) достигает 8,1-103 КОЕ/г, бактерий - 6,5-103 КОЕ/г, что соответствует средней степени заражённости. Максимальное количество грибов (5 -104-105 КОЕ/г) и бактерий (5 -104 КОЕ/г) обнаружено в образцах белокаменной парадной лестницы у цоколя памятника и надгробном камне. В остальных пробах грибы присутствуют в малом количестве и не могут служить главной причиной деструкции материала. Спорообразующие бактерии (в основном род Bacillus) способны длительное время сохраняться за счёт формирования спор. Они могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях и способны играть важную роль в формировании коррозионной активности. Эти бактерии, как и микроскопические грибы, являются активными продуктами органических кислот [5].
Необходимо отметить, что выявленные грибы и бактерии способны к массовому развитию при повышении влажности каменного материала и воздушной среды (особенно при образовании конденсационной влаги в периоды резких колебаний температуры). Прочность связей между бактериальной клеткой и поверхностью зерна определяется наличием питательных веществ в поровой воде. В этой связи, чем сильнее взаимодействие клеток с минеральными частицами, тем активнее проявляется их биохимическое влияние на породу. Развитие микробной компоненты в камне приводит к повышению содержания тонкодисперсной фракции, обладающей значительной поверхностной энергией, что отрицательно сказывается на состоянии и свойствах породы [5].
Проведённые исследования показали, что каменная кладка данного исторического памятника подверглась воздействию как природных, так и техногенных процессов, которые способствовали частичному её разрушению. Вред, причиняемый строительному камню, вызван растворением и выщелачиванием известняков, кристаллизацией и гидратацией солей, ацидофилирующей деятельностью микромицетов.
Из правила Ле Шателье известно, что любая система, находящаяся в равновесии, должна нарушить его при приложении к системе любой силы. Следовательно, чтобы
3 Власов Дмитрий Юрьевич - д.б.н., доцент по специальности «Микология», до 2021 г. проф. кафедры
ботаники Санкт-Петербургского университета, ныне вед.н.с. лаборатории биохимии грибов Ботанического
института им. В.Л. Комарова РАН; Петушкова Юлия Алексеевна - к.б.н., с.н.с. биологического ф-та МГУ
сохранить жизнь камня, необходимо замедлить процесс его выветривания. Это возможно с помощью:
1 - устранения причин, ведущих к росту новообразований и разрушению кладки памятника;
2 - увеличения устойчивости белого камня с учётом агрессивности порового раствора.
Для сохранения данного памятника нужно учитывать, что техногенная нагрузка в ближайшее время в центре Москвы не снизится, а, возможно, возрастёт. В связи с этим необходимо использовать имеющиеся и разработать современные методы управления состоянием и свойствами белого камня с учётом следующих требований Международной хартии4 по консервации и реставрации памятников: 1) сохранение естественного цвета, структуры и текстуры каменного материала; 2) обеспечение длительной устойчивости памятника в данной климатической зоне.
Анализ проведённых исследований показал, что лучшим способом по приостановлению роста новообразований и разрушения каменной кладки может стать гидроизоляция грунтов основания данного памятника.
Выводы. 1. Специфические особенности расположения памятника (геоморфология, геолого-литологическое строение грунтовой толщи основания) приводят к формированию и развитию инженерно-геологических процессов (подтоплению исторической территории, загрязнению грунтов, грунтовых и поверхностных вод), которые связаны во многом с неблагоприятными природными и техногенными факторами.
2. Результаты литолого-петрографических исследований образцов позволяют предположить, что при строительстве данного памятника использовались в основном орга-ногенно-обломочные известняки, отобранные из разных слоёв мячковского горизонта.
3. Микростроение изученных образцов показало, что в одних случаях поверхность зёрен кальцита в известняке остаётся гладкой, хорошо сцементированной. В других -коррозия зёрен происходит настолько интенсивно, что полностью изменяется структура образцов. В третьей группе обнаружена редкая форма кальцита - скрученные нитевидные кристаллы, которые вырастают из частично растворённых зёрен кальцита.
4. Изученные образцы по степени выветрелости разделены на категории от слабо-до сильновыветрелых. У образцов, полностью потерявших структурную устойчивость, резко изменяется химико-минеральный состав. За счёт выщелачивания кальцита и солеобразования пористость сильновыветрелой породы возрастает с 15 до 49 %, что ведёт к уменьшению плотности скелета грунта с 2,29 до 1,32 г/см3.
5. Усиление агрессивного воздействия поровой воды, содержащей ионы Cl-, SO42-, NO3-, растворимых солей (галита, гипса, тенардита, калиевой и натриевой селитры и др.) и микромицетов (9 видов) привело к растворению, выщелачиванию кальцита и кристаллизации солей.
6. Только специальные мероприятия, направленные на создание гидроизоляционной и антикоррозионной защиты заглублённых частей памятника, позволят убрать многие процессы, протекающие на его территории.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамова Т.Т. Выветривание белого камня исторического памятника в городской экосистеме // Сергеевские чтения. Инженерная геология и геоэкология. Фундаментальные проблемы
4 Международная Хартия по консервации и реставрации памятников и достопримечательных мест (Венецианская Хартия, 1964 г.).
и прикладные задачи. Юбилейная конф., посвящённая 25-летию образования ИГЭ РАН. Вып. 18. М.: РУДН, 2016. С. 9-13
2. Бахирева Л.В., Киселёва Е.А., Коломенская В.Н., Кофф Г.Л., Лихачёва Э.А., Яранцева Е.Е. Геологические основы охраны архитектурно-археологических памятников и рекреационных объектов. М.: Наука, 1991. 157 с.
3. Болотина И.Н., Сергеев Е.М. Микроскопические исследования в инженерной геологии // Инженерная геология. 1978. № 5. С. 3-17.
4. Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968. 368 с.
5. Дашко Р.Э., Власов Д.Ю., Шидловская А.В. Геотехника и подземная микробиота. СПб: Ин-т «ПИ Геореконструкция», 2014. 279 с.
6. Кураков А.В., Сомова Н.Г., Ивановский Р.Н. Микромицеты - обитатели поверхности белокаменных и кирпичных сооружений Новодевичьего монастыря // Микробиология. 1999. № 2. С. 272-282.
7. Лазарев В.Н. Византийское и древнерусское искусство. Статьи и материалы. М.: Наука, 1978. 336 с.
8. Оллиер К. Выветривание / Под ред. В.П. Петрова. М.: Мир, 1987. 346 с.
9. Отчёт по инженерно-геологическим изысканиям территории музея «Палаты XV-XVII вв.». ЗАО «Инженерная геология исторических территорий, 2007. 72 с.
10. Пашкин Е.М., Ануфриев А.А., Кувшинников В.М., Пономарёв В.В., Телин О.В. Условия формирования высолов на памятниках архитектуры г. Москвы // Геоэкология, 1998. № 5. С. 70-80.
11. Синай М.Ю., Франк-Каменецкая О.В., Тимашева М.А. Метасоматическое преобразование кальцита в гипс на поверхности карбонатных пород в городской среде (по результатам модельного эксперимента) // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Сер. Геоэкология. Т. 15, № 5. 2010. С. 62-68.
12. Спиридонов Э.М., Янакиева Д.Я., Абрамова Т.Т., Панасьян Л.Л., Чернов М.С., Соколов В.Н., Ладыгин В.М. О минеральных образованиях Русской платформы, порождённых четвертичным оледенением // Минералогические исследования и минерально-сырьевые ресурсы России. Сб. материалов годичного собрания РМО. М., 2007. С. 131-134.
13. Ярг Л.А. Методы инженерно-геологических исследований процесса и кор выветривания. М.: Недра, 1991. 138 с.
14. Massarsch K.R. Salrage of Pharaonic Monuments in Egypt // Reconstruction of historical cities and geotechnical engineering. V. 1. Saint Petersburg, 2003. P. 47-64.
15. PuhringerI. «Saltvittring» (Salt deterioration). Buggforskningsradet, Report R 22. 1983. 59 p.
16. Weyl P.K. The solution kinetics of calcite // J. Geol. 1958. № 66. P. 163-176.
REFERENCES
1. Abramova, T.T., "White stone weathering in a historical monument in an urban ecosystem", Engineering geology and geoecology. Fundamental problems and applied tasks. 18, 9-13 (Moscow: RUDN, 2016) (in Russian).
2. Bakhireva, L.V., Kiseleva, E.A., Kolomenskaya, V.N., Koff, G.L., Likhacheva, E.A., Yarantse-va, E.E., Geological foundations for the protection of architectural and archaeological monuments and recreational facilities (Moscow: Nauka, 1991) (in Russian).
3. Bolotina, I.N., Sergeyev, E.M., "Microscopic studies in engineering geology", Inzhenernaya geologiya 5, 3-17 (1978) (in Russian).
4. Garrels, R.M., Christ, C.L., Solutions, minerals, and equilibria (Harper & Row, 1965. 450 p.).
5. Dashko, R.E., Vlasov, D.Yu., Shidlovskaya, A.V., Geotechnics and underground microbiota (Saint Petersburg: Institute «PI Georekonstruktsiya», 2014) (in Russian).
6. Kurakov, A.V., Somova, N.G., Ivanovsky, R.N., "Micromycetes - inhabitants of the surface of white stone and brick structures of the Novodevichy Convent", Mikrobiologiya 2, 272-282 (1999) (in Russian).
7. Lazarev, V.N., Byzantine and ancient Russian art. Articles and materials (Moscow: Nauka, 1978) (in Russian).
8. Oilier, C., Weathering. Ed. K.M. Clayton. 2nd ed. (London; New York: Longman, 1984).
9. Report on engineering and geological surveys of the territory of the museum "Chambers of the 15-17th centuries" (ZAO «Inzhenernaya geologiya istoricheskikh territoriy, 2007) (in Russian).
10. Pashkin, E.M., Anufriev, A.A., Kuvshinnikov, V.M., Ponomarev, V.V., Telin, O.V., "Conditions for the formation of efflorescence on architectural monuments in Moscow", Geoekologiya 5, 70-80 (1998) (in Russian).
11. Sinay, M.Yu., Frank-Kamenetskaya, O.V., Timasheva, M.A., "Metasomatic calcite-gypsum transformation on the surface of carbonate rocks in an urban environment (according to the results of a model experiment)", Vestnik Mezhdunarodnoy akademii nauk ekologii i bezopasnosti zhiznedeyateVnosti. Ser. Geoekologiya 13 (2), 62-68 (2010) (in Russian).
12. Spiridonov, E.M., Yanakieva, D.Ya., Abramova, T.T., Panas'yan, L.L., Chernov, M.S., Sokolov, V.N., Ladygin, V.M., "On the mineral formations of the Russian platform, generated by the Quaternary glaciation", Mineralogical research and mineral resources of Russia. Materials of the annual meeting of the RMS (Moscow, 2007. P. 131-134) (in Russian).
13. Yarg, L.A., Methods of engineering-geological studies of the process and weathering crusts (Moscow: Nedra, 1991) (in Russian).
14. Massarsch, K.R., "Salrage of Pharaonic Monuments in Egupt", Reconstruction of historical cities and geotechnical engineering 1 (Saint Petersburg, 2003. P. 47-64).
15. Puhringer, I., Saltvittring (Salt deterioration). Buggforskningsradet, Report R 22. 1983. 59 p.
16. Weyl, P.K., "The solution kinetics of calcite", J. Geol 66, 163-176 (1958).
