Первоначально, когда оседание было обнаружено, его пытались объяснить тектоническими процессами, движениями земной коры в целом. Однако довольно скоро выявились факты, опровергающие это объяснение. В Мехико из земли стали «вырастать» — на высоту до 6 м — обсадные трубы скважин и облицовка глубоких колодцев, т.е. поверхность земли опустилась относительно низа этих колодцев и скважин. Стало ясно, что происходит сжатие близкой к поверхности — на глубину десятков, максимум сотен метров — толщи грунта.

Специально организованные измерения показали, что скорость оседания, по геологическим меркам, очень велика, она на порядок и более превышает скорость природных тектонических движений. Последняя, как мы уже знаем, измеряется миллиметрами, редко несколькими сантиметрами в год: район Финского залива поднимается на 3 мм в год, восточный берег Англии погружается со скоростью 9 мм, а бухта нижнего Рейна — на 2,7 мм в год.

Скорость же оседания, о котором идет речь, достигла, например, в Мехико и Ниигате — 50 см, в Токио — 18 см в год. Поскольку к тому же происходило это преимущественно в городах, возникло предположение об искусственных, техногенных причинах оседания земной поверхности. И, наконец, когда сопоставили скорость оседания с режимом откачки подземных вод, предположение обратилось в уверенность, гипотеза стала теорией: причиной оседания является откачка подземных вод, понижение их уровня.

На рис.63 показан один из таких сопоставительных графиков, относящийся к крупному японскому городу Осаке (население более 3 млн. человек). Кривая колебания уровня подземных вод иллюстрирует историю города: 1935–1943 гг. — индустриальное развитие, возрастающее потребление воды и прогрессирующее понижение ее уровня; 1943–1947 гг. — военные разрушения и их последствия, в частности сокращение водопотребления и повышение уровня подземных вод; 1948–1963 гг. — резкий подъем промышленного развития и увеличение в связи с этим потребления воды; с 1963 г. — вступление в силу законов, ограничивающих использование подземных вод для промышленных целей. Кривая интенсивности оседания земной поверхности, как видим, закономерно следует за уровнем подземных вод, с его понижением идет оседание, с повышением уровня оседание замедляется и прекращается. Естественно, масштабы этих процессов разные, уровень подземных вод понизился на 30 м, а оседание поверхности произошло максимум на 2,8 м.

Откачка подземных вод проводится во многих районах мира и в больших количествах, главным образом, с целью водоснабжения. Понятно, что крупные очаги откачки привязаны к местам интенсивного потребления подземных вод: городам, промышленным зонам, сельскохозяйственным массивам орошения. Воду откачивают из сотен и тысяч скважин, сгруппированных на относительно небольших площадях. При откачке подземных вод происходит понижение их уровней (напоров), охватывающее в виде депрессионной воронки большие территории. Глубина депрессионных воронок достигает: в Москве и Ленинграде — 50 м, в Киеве — 60 м, в Лондоне — более 100 м, в долине Сан-Хоакин (орошение подземными водами) — до 150 м. Площади депрессионных воронок измеряются сотнями и тысячами квадратных километров, на эти же территории распространяются и мульды оседания поверхности земли: в районе Лондона — 1800 км², в Токио — 300 км². В долине Сан-Хоакин, чрезвычайно важной в экономическом отношении для США, с 20-х годов опустилось более чем на 0,3 м (при максимуме в 8,5 м) около 11 тыс. км² поверхности. Этот регион — наиболее крупная на земном шаре территория интенсивного оседания поверхности земли.

Крупные и глубокие очаги откачки подземных вод возникают и при открытой или подземной разработке полезных ископаемых, и при строительстве различных сооружений: гидроэлектростанций, метрополитенов. Цель откачки, которая в этих случаях именуется водопонижением, — осушение подземных выработок, защита их, от притока подземных вод. Глубина депрессионных воронок, например, для глубоких шахт может достигать 1000 м и более.

При строительстве глубина водопонизительных депрессионных воронок обычно не очень велика — до 10–30 м, сравнительно ограничено и их распространение. Однако и в этих случаях приходится серьезно считаться с явлением оседания земной поверхности, особенно при строительстве в городах, вблизи зданий и сооружений, не терпящих неравномерных осадок. Например, при строительстве тоннеля в Роттердаме уровень подземных вод был понижен на 15 м; в результате оседание поверхности на линии водопонизительных скважин достигло 50 см, а на расстоянии 100 м от них — до 10 см.

Связь оседания поверхности земли проявляется не только с откачкой подземных вод, но и с добычей нефти и газа.

Оседание в гавани Лонг-Бич, где площадь шириной несколько километров вдоль побережья опустилась до 9 м со скоростью до 40 см/год, обусловлено добычей нефти; оседание территории г. Ниигата со скоростью до 50 см/год — результат добычи газа, как и оседание дельты р. По, где из 900 скважин ежегодно добывали 190 млн. м³ метана.

Со значительной скоростью — до 11 см/год — опускается итальянский г. Равенна, воспетый в стихах Данте. Если скорость оседания не замедлить, через непродолжительное время воды Адриатики затопят город. Уже сейчас вода проникает в подвалы зданий; в церкви Сан-Франческо мозаичный пол лежит под метровым слоем воды. Скорость оседания поверхности возросла здесь в 30 раз после того, как рядом со старым городом возник новый промышленный центр. Предприятия забирают из скважин ежесекундно 500 л воды. Одновременно идет значительная добыча метана: с пляжа Равенны видна цепь вышек над скважинами, из которых газ по трубам подается промышленным предприятиям.

В чем же сущность явления оседания земной поверхности?

В газетах иногда пишут, что оседание земли связано с образованием подземных пустот. Это неверно. Причиной оседания поверхности земли является сжатие толщи грунта. Оно происходит вследствие уменьшения взвешивающей силы при понижении уровня (напора) воды, нефти или газа.

Для пояснения этого явления рассмотрим упрощенную модель (рис. 64). Интересующие нас свойства грунтовой толщи — ее вес и сжимаемость — изобразим в виде груза, лежащего на пружине. Поместим эту систему в сосуд с водой и вспомним закон Архимеда. На затопленный груз действует выталкивающая сила, а на пружину давит вес груза за вычетом выталкивающей силы. Теперь отольем часть воды, понизим ее уровень на глубину h_В. Груз затоплен не полностью, выталкивающая сила уменьшилась, а следовательно, сила, действующая на пружину, увеличилась. Под воздействием этой добавочной нагрузки (она равна разности выталкивающих сил до и после понижения уровня воды) пружина сжимается и груз опускается на глубину h_Д. Это и есть оседание поверхности.

Реальность, конечно, сложнее и многообразнее этой простой схемы. Процесс оседания поверхности зависит от очень многих факторов, в первую очередь — от геологического строения территории и ее гидрогеологических условий.

Ближе всего к рассмотренной модели случай, когда понижение уровня подземных вод происходит в сравнительно однородной толще грунта, заключающей в себе единый водоносный горизонт (рис.65, а). В этих условиях откачка воды приводит к образованию депрессионной воронки, внутри которой происходит осушение грунта. Вода отфильтровывается из пор и каждая грунтовая частица освобождается от взвешивающего давления воды. «Тяжелеет» весь осушенный грунт в пределах депрессионной воронки и под этой нагрузкой происходит его сжатие.