Города мира тонут из-за откачки подземных вод. Этот процесс обратим, но последствия оказались опаснее оседания

Когда крупный современный город забирает из-под земли слишком много воды, поверхность неизбежно проседает. С этим сталкиваются многие прибрежные мегаполисы мира: от Джакарты и Шанхая до Мехико и Хьюстона. Механизм этого явления давно изучен. В толще земли под городом находятся пласты песка и гравия, пустоты в которых заполнены водой. Эта вода находится под естественным давлением и удерживает на себе вес вышележащих пород. Если через тысячи промышленных и коммунальных скважин непрерывно выкачивать воду, давление жидкости падает. Минеральные зерна в слоях осадочных пород смыкаются ближе друг к другу под тяжестью грунта, весь слой уменьшается в объеме, и город постепенно уходит вниз.

Обычно борьба с этой проблемой сводится к административным мерам: власти запрещают бесконтрольное бурение скважин, вводят жесткие лимиты на водозабор или переводят промышленность на речную воду. Предполагается, что после этого подземные горизонты постепенно заполнятся естественным путем, оседание остановится, а поверхность города замрет на стабильном уровне.

Однако долговременных наблюдений за тем, что происходит с недрами спустя десятилетия после запрета водозабора, в мире почти нет. Большая Осака в Японии — одно из крайне редких исключений. Здесь откачку воды жестко ограничили еще шестьдесят лет назад.

Группа геофизиков из Японии, Новой Зеландии и США исследовала современное состояние недр Осаки с помощью спутниковых радаров и сети глубоких скважин. Результаты работы, опубликованные в журнале Communications Earth & Environment, показали: возвращение подземных вод действительно разворачивает движение грунта вспять, заставляя поверхность подниматься со скоростью до 12 миллиметров в год. Однако этот подъем происходит не плавно и не равномерно. Земная кора под городом разбита сетью геологических разломов, которые мешают движению подземных потоков и заставляют грунт подниматься отдельными блоками, создавая механические нагрузки на фундаменты зданий и тоннели.

История проседания и шестидесятилетний эксперимент

Регион Большой Осаки, объединяющий равнину Осака и котловины городов Киото и Нара, населяют около 15 миллионов человек. Вся эта городская система расположена над осадочным бассейном площадью более 3000 квадратных километров.

Бурное развитие промышленности в первой половине XX века потребовало огромного количества дешевой пресной воды. С 1920-х по начало 1960-х годов предприятия региона непрерывно наращивали откачку из подземных горизонтов. В результате уровень грунтовых вод упал на величину до 30 метров. Реакция грунта последовала незамедлительно: толща осадочных отложений начала спрессовываться. К 1965 году центр Осаки просел более чем на два метра относительно уровня моря, из-за чего прибрежные промышленные зоны и жилые кварталы оказались под постоянной угрозой затопления морскими приливами и тайфунами.

Столкнувшись с риском катастрофы, японское правительство в начале 1960-х годов ввело строгие законы, запрещающие забор воды из глубоких слоев. Промышленность перевели на поверхностные источники и системы замкнутого водооборота.

Решение сработало: к середине 1970-х годов оседание грунта практически прекратилось. Уровень подземных вод стал постепенно расти за счет естественного притока с окружающих горных хребтов. Шесть десятилетий спустя этот регион стал естественной лабораторией, позволяющей увидеть, как ведет себя геологическая среда после столь длительного восстановления давления.

Спутниковые радары выявляют блоковый подъем

Чтобы с высокой точностью измерить современные движения поверхности, исследователи использовали метод радарной интерферометрии. Они обработали 293 радиолокационных снимка, сделанных европейскими спутниками Sentinel-1 в период с декабря 2016 по декабрь 2021 года.

Принцип работы этого метода строится на сравнении отраженных радиосигналов. Спутник посылает к Земле электромагнитную волну и фиксирует фазу вернувшегося сигнала. Пролетая над той же точкой через определенное время, спутник повторяет измерение. Если земная поверхность сместилась по вертикали даже на несколько миллиметров, расстояние до нее изменится, что приведет к сдвигу фазы отраженной волны.

Для привязки спутниковых измерений к абсолютной системе координат ученые использовали данные 15 наземных станций спутниковой навигации GNSS, непрерывно работающих на территории Осаки. При этом обработку радарных данных намеренно вели в полном разрешении без усреднения соседних пикселей. Это позволило построить карту вертикальных и горизонтальных смещений грунта с пространственным разрешением в 10 метров.

Измерения показали, что равнина Осака и соседние котловины Киото и Нара повсеместно поднимаются со средней скоростью около 4 миллиметров в год. Для сравнения, глубокие тектонические процессы, связанные с погружением океанической плиты в желобе Нанкай у берегов Японии, вызывают подъем скального основания в этом районе со скоростью не более 1 миллиметра в год. Это доказывает, что подъем вызван процессами, происходящими непосредственно в верхней части осадочной толщи под мегаполисом.

Однако ключевое открытие заключалось в структуре этого движения. Поверхность поднимается не сплошным пологим массивом. Радарная съемка выявила отдельные участки площадью более 100 квадратных километров каждый. Внутри каждого такого участка скорость движения вверх практически одинакова, но на границах между ними происходит резкий скачок скорости. Перепад в 3-4 миллиметра в год совершается на полосе шириной менее 100 метров.

Физика подземных барьеров

Причина такого скачкообразного движения выяснилась при наложении геодезических данных на карту геологического строения недр. Линии, разделяющие зоны с разной скоростью подъема, в точности совпали с известными тектоническими разломами региона: разломом Уэмати в Осаке, разломом Удзигава в Киото и зоной разломов Арима-Такацуки.

Подземная структура региона сформирована так называемой группой Осака. Это осадочная толща общей мощностью до 800 метров, состоящая из чередующихся слоев. Проницаемые слои песка и гравия чередуются с плотными слоями морских глин, которые практически не пропускают воду.

Вода течет сквозь проницаемые песчано-гравийные слои сверху вниз — от окружающих возвышенностей в сторону Осакского залива. Но на этом пути вода неизбежно наталкивается на плоскости геологических разломов.

Разлом в толще осадочных пород представляет собой механическую преграду для движения жидкости по двум основным причинам:

1. Измельчение породы при трении. При взаимном смещении блоков горные породы в зоне разлома истираются и дробятся. Образуется плотная глинистая масса очень мелкой фракции, которая заполняет трещины и обладает крайне низкой водопроницаемостью.
2. Смещение слоев по вертикали. Вдоль разлома Уэмати пласты пород смещены относительно друг друга по вертикали на величину до 300 метров. Это означает, что водопроницаемый пласт песка и гравия с одной стороны разлома физически упирается в водонепроницаемый глиняный пласт с другой стороны.

В результате разлом работает как подземная преграда, мешающая естественному горизонтальному стоку грунтовых вод.

Данные глубоких скважин подтвердили эту картину. Скважины, расположенные с восточной стороны разлома Уэмати — то есть выше по направлению подземного потока, — фиксируют подъем уровня воды со средней скоростью 0,3 метра в год. На западной стороне, расположенной ниже по потоку, вода поднимается со скоростью всего 0,1 метра в год.

Поскольку отток воды через плоскость разлома затруднен, перед ним создается избыточное давление жидкости. Вода в порах начинает давить на зерна песка и гравия изнутри во всех направлениях. Под действием этого давления пласт осадочных пород упруго увеличивается в объеме. Это упругое расширение передается наверх и поднимает дневную поверхность.

Поэтому восточное крыло разлома Уэмати поднимается со скоростью 6-7 миллиметров в год, а западное — со скоростью 3-4 миллиметра в год. Расчеты показывают, что повышения давления воды всего на 1-3 килопаскаля в год на глубинах от 100 до 500 метров достаточно для того, чтобы ежегодно вызывать наблюдаемый подъем земной поверхности на несколько миллиметров.

Одновременно с вертикальным движением радары зафиксировали и горизонтальные деформации. Вдоль границ разломов возникли зоны шириной от ста метров до километра, где участки грунта по разные стороны разлома сдвигаются горизонтально относительно друг друга со скоростью до 2 миллиметров в год.

Эхо землетрясения в Кобе: как трещины открываются и затягиваются

Свойства таких подземных преград не остаются постоянными во времени. Они могут резко меняться при сильных землетрясениях, что подтвердили наблюдения в зоне разлома Арима-Такацуки на севере Осакской равнины.

Здесь расположен небольшой участок треугольной формы площадью менее 25 квадратных километров. По современным спутниковым данным, он демонстрирует исключительно быстрый подъем со скоростью до 10 миллиметров в год. Однако архивные данные гидрогеологических скважин показали неожиданную смену направления движения в прошлом.

С 1998 по 2010 год уровень воды в глубокой наблюдательной скважине IKD на этом участке непрерывно снижался со средней скоростью 16 сантиметров в год. Земная поверхность в эти годы не поднималась, а быстро проседала — от 5 до 10 миллиметров в год. И только в 2012 году падение сменилось устойчивым ростом уровня воды со скоростью 23 сантиметра в год, после чего начался быстрый подъем поверхности.

Причиной этого сбоя стало разрушительное землетрясение в Кобе 1995 года с магнитудой 6,9. Разрыв коры при этом землетрясении остановился в непосредственной близости от данного участка.

Интенсивные сейсмические колебания растрескали массив горных пород в зоне разлома. В ранее монолитной и плотной породе образовалось множество открытых трещин, что привело к резкому скачку водопроницаемости. Скопившаяся вода получила возможность уходить сквозь разлом в соседние горизонты. В результате подземный резервуар начал осушаться, поровое давление упало, пласт сжался, и земная поверхность над ним просела.

Затем начался обратный процесс, занявший около пятнадцати лет. Мелкие минеральные частицы, переносимые водой, постепенно забивали образовавшиеся микротрещины, а циркулирующие растворы откладывали на их стенках минералы. Проницаемость разлома постепенно снизилась до исходных значений. Преграда для воды восстановилась, поток вновь оказался заблокирован, давление пошло вверх, и участок возобновил быстрый подъем.

Обнаружение скрытых разломов по данным геодезии

Зависимость между накоплением подземных вод и подъемом грунта позволила исследователям решить фундаментальную научную задачу: обнаружить скрытый разлом, о существовании которого геологи раньше не знали.

В котловине Нара спутниковые радары зафиксировали полосу длиной 12 километров, ориентированную с северо-востока на юго-запад, на которой скорость вертикального подъема резко меняется. К югу от этой линии поверхность стабильно поднимается с максимальной для региона скоростью — до 12 миллиметров в год. К северу от нее подъем идет значительно медленнее. Ширина переходной зоны между этими секторами составляет менее ста метров.

При этом ни на одной карте активных разломов Японии эта структура не была обозначена. На поверхности земли нет никаких уступов или следов смещения рельефа, поскольку реки на протяжении тысячелетий непрерывно заносили впадину свежими речными осадками, скрывая любые неровности.

Тем не менее столь резкое изменение скорости движения поверхности на узком участке не может объясняться естественной сменой состава грунта. Линия раздела идет под прямым углом к направлению речного стока. Геофизики проверили данные глубокого разведочного бурения, проводившегося в котловине для инженерных целей, и подтвердили: на глубине в сотни метров в этом месте действительно существует вертикальное смещение слоев коренных пород.

Таким образом, высокоточные измерения подъема поверхности при восстановлении подземных вод позволяют картировать погребенные разломы в районах с мощным осадочным чехлом, где традиционные методы геологической съемки бессильны.

Последствия для инфраструктуры и мирового опыта

Опыт Осаки имеет прямое прикладное значение для десятков других мегаполисов мира, которые пытаются справиться с проседанием грунта.

Сегодня во многих странах реализуются программы искусственного пополнения подземных горизонтов (Managed Aquifer Recharge). В Китае для защиты Пекина и Шанхая очищенную воду целенаправленно закачивают в глубокие пласты. Аналогичные проекты действуют в засушливых сельскохозяйственных долинах Калифорнии и на Аравийском полуострове. Главной целью таких программ считается прекращение оседания земли и восстановление запасов пресной воды.

Однако пример Большой Осаки доказывает: процессы, происходящие при возвращении воды под землю, значительно сложнее прямолинейного подъема уровня.

Осадочные породы большинства прибрежных и предгорных впадин пересечены тектоническими нарушениями. Если не учитывать экранирующие свойства этих разломов, закачка воды приведет не к равномерному выравниванию территории, а к возникновению контрастных деформаций.

Для городской инфраструктуры равномерное опускание или равномерный подъем всей территории на несколько миллиметров в год не несут критической угрозы. Опасность представляет именно дифференциальное движение — когда два смежных участка земли смещаются с разной скоростью.

Разница в скорости подъема в 6-8 миллиметров в год на расстоянии всего в 50-100 метров создает постоянные изгибающие и сдвиговые нагрузки. Подземные инженерные коммуникации — водопроводы высокого давления, канализационные коллекторы, газовые магистрали, кабельные каналы и глубокие тоннели метрополитена — оказываются в зоне непрерывного механического напряжения на границах разломов. Опоры мостов и протяженные свайные фундаменты тяжелых зданий, заложенные по разные стороны активного гидравлического барьера, начинают испытывать разнонаправленные воздействия.

До сих пор городские власти и строительные инженеры воспринимали разломы в пределах городской черты исключительно как потенциальные источники сейсмической угрозы — точки, в которых в момент землетрясения может произойти мгновенный разрыв пород.

Исследование ситуации в Осаке показывает, что разломы активно влияют на механическое состояние города даже в периоды полного сейсмического затишья. Работая как гидродинамические барьеры для подземных потоков, они концентрируют давление жидкости в отдельных секторах недр, превращая многолетнее восстановление уровня грунтовых вод в источник постоянных и неравномерных подвижек земной поверхности.

Источник: Communications Earth & Environment