ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 417, № 4, с. 545-549
ГЕОФИЗИКА
УДК 550.3, 550.8
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ТЕХНОГЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ В ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНАХ УРАЛА
© 2007 г. Член-корреспондент РАН А. А. Маловичко, А. Г. Гамбурцев, К. А. Воинов, Л. В. Некрасова
Поступило 30.05.2007 г.
Сейсмические события, происходящие на рудниках, обусловлены как природными, так и техногенными причинами [1-5]. Уникальные фактические данные, полученные при детальных мониторинговых наблюдениях в двух горнодобывающих областях Уральского региона, позволяют поставить задачу, выявить и сопоставить особенности динамики сейсмических процессов и сделать предположения относительно причинно-следственных связей между внешними воздействиями - техногенными и природными, с одной стороны, и сейсмическими событиями, с другой.
Можно предположить, что природные объемы горных пород являются мультиосциллятор-ными системами, функционирующими в режиме сезонных и других ритмов. По-видимому, горные породы способны к синхронизации с внешними воздействиями и десинхронизации. Возможно, что в какие-то интервалы времени среда не реагирует на слабые воздействия, а после сильного воздействия (например, землетрясения) реагирует. В ряде случаев сейсмологи пытаются исследовать воздействия на горные породы, связанные не только с внутренними тектоническими процессами, но и с другими, в частности, приливными, гео-и гелиомагнитными, техногенными. Мы также делаем такую попытку.
Режимы изменений различных показателей в разных сферах и разных временных масштабах индивидуальны, имеют характерные особенности, которые изменяются во времени. Эта изменчивость часто не предсказуема; нет видимых внешних причин, вызвавших ее. Часто имеет место нелинейная реакция объектов на внешние воздействия, например, неожиданно сильный от-
Геофизическая служба
Российской Академии наук, Обнинск Калужской обл. Институт физики Земли им. О.Ю. Шмдта Российской Академии наук, Москва Горный институт
Уральского отделения Российской Академии наук, Пермь
вет на очень слабые воздействия (триггерный эффект). Поэтому важно определять критические ситуации, при которых наступают такие явления. Большую роль играет множественность воздействий, тогда объект, можно сказать, выбирает то воздействие, на которое будет реагировать в первую очередь. Могут происходить явления, обусловленные цепочками сложно связанных между собой событий. Особенно сложно установить причинно-следственные связи в природно-технических системах, например в горнодобывающих объектах. В таких системах породные массивы испытывают сильные техногенные воздействия, которые действуют наряду с природными, и выделить причину возникновения сейсмического события трудно. В то же время при наблюдениях на горных выработках исследователь знает, где именно может произойти сейсмическое событие; в этом его преимущество перед сейсмологом, которому местонахождение будущего гипоцентра часто не известно даже приблизительно.
Нами выполнено исследование возможного влияния некоторых факторов на особенности динамики техногенной сейсмичности для двух горнодобывающих районов Урала - Кизеловского угольного бассейна (КУБ) и Североуральского бокситового рудника (СУБР), расположенных в 200 км один от другого. Влияние горных работ привело к развитию в недрах интенсивных техногенных процессов, прежде всего разномасштабных проявлений сейсмичности. По частоте и характеру проявления горных ударов КУБ в середине 50-60-х годов был признан наиболее опасным в нашей стране. В 70-80-е годы прошлого века наиболее ударо-опасным стал СУБР. Для контроля и прогнозирования горных ударов в обоих бассейнах были установлены автоматизированные системы сейсмического контроля - для КУБ в зоне 1.8 X 1.8 км2 и для СУБР - в полосе примерно 2 X 10 км2, т.е. на более обширной площади. За более чем 20 лет сформированы уникальные базы данных.
Фиксировались многочисленные сейсмические события, начиная от самых слабых с энергией 50 Дж до горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений 7-8-го энергетических
N(Т)
1985 1989 1993 г.
Рис. 1. Временные ряды чисел сейсмических событий в районе СУБР для шахт № 14 (а), 15 (б) и в целом (в), а также в районе КУБ (г).
классов. Величины энергий для СУБР примерно на два порядка превышают соответствующие величины для КУБ и достигают 1.8 • 108 Дж. Почти вся возбужденная сейсмичность СУБР сконцентрирована в трех шахтах (№ 13, 14 и 15). Обработке подвергались суточные и среднемесячные временные ряды для указанных трех шахт, для СУБР в целом и для Кизела. Обработку проводили для двух параметров: количества сейсмических событий N за каждые сутки и максимальной выделенной энергии Е в течение каждых суток. Обрабатывались также временные ряды для индексов гелио- и геомагнитной активности, лунно-солнечных приливов и для скорости вращения Земли. Исследовалось влияние дней недели. Сопоставляемый общий временной интервал на-
блюдений для КУБ, шахт № 14 и 15 СУБР и СУБР в целом составлял 11 лет (с 1985 по 1995 гг.).
Сопоставление показало следующее. Исключительно схожими оказались ряды Е(Т) для шахты №15 и СУБР в целом; коэффициент корреляции между ними при нулевом сдвиге равен 0.998 (при числе точек более 3600). Величины Е в шахтах № 13 и 14 в 5-6 раз меньше, чем в шахте № 15, и коэффициенты корреляции для разных шахт между собой и каждой из шахт с данными по СУБР в целом очень малы. Таким образом, ряд Е(Т для СУБР в целом формируется рядом для шахты № 15. Между рядами Е(Т) для СУБР и КУБ схожести нет.
Другая картина имеет место для временных рядов количества событий N(7). На рис. 1 приведены временные ряды N(7) в шахтах СУБР № 14
N 7 6 5 4 3 2 1 0
Е, Дж
1500 1000 500
0 А 200
150
100
50
N 6
1985
1990
1995 г. 1985
1990
1995 г.
Рис. 2. Среднемесячные временные ряды сейсмических событий в КУБ (а) и СУБР (б) для выделенной в течение суток максимальной энергии в этих же рудниках (в, г), чисел Вольфа (д) и геомагнитного индекса Ар (е).
и 15, в СУБР в целом и на Кизеловском руднике. Видно, что форму первой половины временного ряда в СУБР в целом формируют события, зарегистрированные в шахте № 15. Во вторую половину срока ряд по СУБР формируют события, зарегистрированные в шахтах № 13 и 14. Ряды N(7) для шахт № 13 и 14, 13 и 15, 14 и 15 не коррелиро-ваны на протяжении всего интервала времени сопоставления. Таким образом, даже на таком небольшом участке, как СУБР, структуры временных рядов индивидуальны.
Сопоставление временных рядов N(7) для разных бассейнов показало, что сходных черт между этими рядами немного, хотя расчеты коэффициентов корреляции в скользящем временном окне показали, что в некоторых временных интервалах некие совпадения намечаются. Самые сильные события происходили в них в разное время. По-видимому, они вызваны разными причинами. На рис. 2 приведены среднемесячные временные ряды N(7) и Е(Т) в двух рудниках, а также чисел Вольфа и индекса Ар. Графики Е(Т) построены без учета наиболее сильных событий (не учитывались 12 событий с Е > 5 • 104 Дж для КУБ и 4 события с Е > 1.5 • 107 для СУБР). Из рисунка видно, что в случае КУБ максимальные значения Е приходятся в основном на максимальные или градиентные участки графика чисел Вольфа и на более возмущенные участки графика Ар(Т). Наиболь-
шим видимым сходством обладают среднемесячные ряды N(7) и Е(Т) для КУБ и чисел Вольфа, но максимум огибающей графика N(7) приходится на время роста чисел Вольфа в 1987-1989 гг.; по-видимому, может оказывать влияние их градиент. В случае СУБР явного видимого сходства (такого, как для КУБ) нет. Таким образом, можно предположить, что на СУБР видимого влияния солнечная и геомагнитная активность не оказывают.
На рис. 3 приведены спектрально-временные диаграммы. Здесь намечается следующая картина. Для КУБ спектрально-временная структура (СВС) выглядит более упорядоченно, чем для СУБР. На диаграммах для КУБ хорошо выделяются ритмы с периодами 1.6 года, около 1.5 месяцев, 7 и 3.5 сут. При этом, как обычно бывает, амплитуда ритмических процессов изменчива во времени. СВС рядов СУБР носит более изменчивый во времени, мозаичный характер. Тем не менее можно выделить повторяющиеся для разных рядов характерные черты. На СВАН-диаграммах рядов N(7) четко выделены переменные по амплитуде ритмы, в том числе те же, что и для КУБ, но они выражены слабее, и за ними можно следить на более зашумленном фоне. Упомянем, что для чисел Вольфа достаточно четко (но не во всем временном интервале) выделены ритмы с периодами примерно 1.6 и 0.5 года, 28, 14, 7-8,
Циклы в год 10-
(а)
Циклы в год
: - :: :|
;■! -¡¡! = :■■■! ■ ■:■:.:..:: ■■! " г !!
I ^ ^]: ЩЩШ !!
201816141260 5550
45110
105
100-
!!:!! :.:: = =!:
(б)
ашиг"
. - : ■ '.'■".'■'.' ■ ' : 'Л. : л : ! "
. ■: .;. : . .:..;. У.
...........-.............■.■■■ ■ ■■■ ■
1987
1989
1991
1993 г. 1987
1989
1991
1993 г.
Рис. 3. Спектрально-временные диаграммы числа сейсмических событий в течение суток в КУБ (а) и СУБР (шахта № 15) (б) для разных частотных окон.
3-4 сут. Для индексов и Кр отмечены ритмы примерно 1 год, 0.5 года, 14 и 7 сут.
Таким образом, кроме корреляционной связи между процессами в рудниках и гео- и гелиомаг-нитными индексами, имеются и общие ритмы; особенно это относится к Кизеловскому бассейну. Это не означает, что процессы обусловлены только изменениями этих индексов, но они, по-видимому, играют некоторую роль в формирова-
нии сейсмического режима в горных выработках. Скорее всего, в ряде случаев они играют роль триггера. Сопоставляя временные ряды, мы видим, что многие события в шахте происходят независимо от вариаций гео- и гелиомагнитных индексов. Не выявлено связи между сейсмическими событиями с вариациями скорости вращения Земли и сизигиями. Выявленные недельный и полунедельный ритмы имеют место также в социальных и медицинских процессах, в индексах гео-
5
0
магнитной активности и в скорости вращения Земли. В нашем случае эти ритмы скорее всего вызваны социальными причинами. Максимумы их выпадают на четверги, минимумы - на воскресенья.
Таким обра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.