УДК 550.343.42
ТЕХНОГЕННАЯ СЕЙСМИЧНОСТЬ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ
НА СЕЙСМИЧЕСКУЮ ОПАСНОСТЬ
Р. А. Дягилев,
зав. лабораторией природной и техногенной сейсмичности, ГИ УрО РАН,
dr@mi-perm.ru
В работе сделана попытка оценить техногенную составляющую сейсмической опасности в районе разработки Верхнекамского месторождения калийных солей. Изложены основные моменты, учитываемые при сейсмическом районировании территорий: модель сейсмогенерирую-щих зон, описывающая параметры возможных техногенных источников, и мак-росейсмическое уравнение, описывающее ожидаемый сейсмический эффект от них. С использованием виртуального каталога сейсмичности получены уточненные карты сейсмической интенсивности для района Верхней Камы.
The article describes the first efforts to estimate seismic hazard of induced seismicity in region of the Upper Kama potash deposit. It states main factors, which one have to take into account in seismic hazard assessment. They are model of seismic generating zone, describing parameters of induced seismic sources, and specified macroseismic equation. Using virtual seismic catalogue of induced events a new more precise seismic hazard maps for Upper Kama region were derived.
Ключевые слова: сейсмическая опасность, техногенная сейсмичность, сейсмогенерирующая зона, макросейсми-ческое уравнение, Верхнекамское месторождение калийных солей.
Keywords: seismic hazard, induced seis-micity, seismic zoning, macroseismic equation, Upper Kama potash deposit.
Авторы карт ОСР-97 отмечают, что сейсмическая опасность во многих районах может расти в связи с хозяйственным освоением сейсмоопасных территорий и активным воздействием человека на литосферу (откачка нефти и газа, добыча полезных ископаемых, строительство крупных гидротехнических сооружений, захоронение промышленных отходов и др.) [1]. Одним из таких районов можно считать Урал, где все отмеченные выше факторы имеют место. Положительным моментом в вопросе уточнения сейсмической опасности в Уральском регионе являются наблюдения за сейсмичностью, выполняемые ГИ УрО РАН совместно с ГС РАН в течение последних 10—15 лет [2].
Целью данной работы является получение уточненных оценок сейсмической опасности, характеризующих район Верхней Камы, подверженный значительной техногенной нагрузке, связанной с разработкой Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). Значимость таких исследований в последнее время существенно возросла в связи с появлением новых инструментальных данных о сейсмичности региона, которые свидетельствуют о существенной недооценке (примерно на порядок) доли слабых природных землетрясений. Кроме того, идет наращивание производственных мощностей добычи калийных солей, планируется открытие новых рудников и строительство объектов инфраструктуры горнодобывающих предприятий, что требует корректного учета сейсмичности.
Годы сейсмологических наблюдений в регионе и на рудниках ВКМКС позволили вплотную подойти к проблеме уточнения сейсмической опасности на огромной урбанизированной территории. Для этого имеется представительный (начиная с магнитуды 1,5) каталог природных землетрясений, произошедших на Западном Урале; данные о механизмах сейсмических явлений, происходящих в горных выработках [3]; множество экспериментальных данных о характере распростра-
нения сейсмических волн в районе исследований [4]. Для уточнения сейсмической опасности для района Верхней Камы решались три основные задачи: 1) разработка модели сейсмогенериру-ющих зон, соответствующих возможным техногенным источникам в районе ВКМКС; 2) выбор адекватной модели сейсмического эффекта; 3) получение вероятностной оценки сейсмической опасности в заданные интервалы времени.
Модель сейсмогенерирующих зон. Модель сейсмогенерирующих зон является одним из ключевых элементов при оценке сейсмической интенсивности. Она определяет пространственные и энергетические особенности возможных сейсмических явлений. Чтобы соответствовать вероятностно-детерминистко-му подходу, являющемуся общепринятым для оценки сейсмической опасности [1], предлагаемая модель опирается на богатый фактический материал (существующие каталоги сейсмических явлений) и дает вероятностные оценки основных параметров сейсмических явлений.
Влияние техногенной нагрузки, оказываемой горнодобывающими предприятиями, можно описать, представив сейсмогенерирующими зонами все существующие ныне подработанные пространства или участки горного массива, подлежащие подработке, которые несут потенциальную опасность возникновения в них сейсмических событий. Одним из ярких примеров существующей угрозы является техногенное землетрясение с магнитудой Шв = 3,8, произошедшее 5 января 1995 г. в г. Соликамске. Причиной события стало разрушение подземных целиков на площади диаметром около 600 м, которому сопутствовало одновременное опускание вышележащей толщи пород мощностью около 300 м и образование на земной поверхности мульды оседания глубиной до 4,5 м. Сейсмический эффект от такого явления ощущался в радиусе до 20 км, а в его эпицентре интенсивность составляла 5—6 баллов [5].
Исследования механизмов очагов в пределах калийных рудников [3] свидетельствуют о преимущественно обваль-
Рис. 1. Шахтные поля в пределах ВКМКС, определяющие границы1 сейсмогенерирующих зон: I — контур месторождения; II — границы шахтных полей: 1 — Боровской, 2 — Половодовский, 3 — Соликамский, 4 — Ново-Соликамский, 5 — Быгельско-Троицкий, 6 — Березниковский, 7 — Дурыманский, 8 — Талицкий, 9 — Усть-Яйвинский, 10 — Балахонцевский, 11 — Палашерский
ном характере большинства сейсмических явлений. Соликамское землетрясение, судя по разрушениям в руднике и на поверхности, также относится к гравитационным явлениям. Таким образом, обвальный тип будем считать основным типом событий, возникающих в пределах сейсмогенерирующих зон. Пространственные характеристики зон (размеры, положение) хорошо известны, в том числе и для планируемых к отработке рудников (рис. 1), что позво-
ляет использовать их для моделирования местоположения гипоцентров сейсмических очагов.
Многолетние наблюдения в рудниках показывают, что эпицентры регистрируемых сейсмических событий (М < 1) практически не выходят за пределы шахтных полей. Глубина очагов также ограничена горными выработками. Отдельные шахтные поля имеют, как правило, изометричную форму, поэтому без потери общности ситуации будет допустимым принять нормальное распределение очагов относительно центра шахтного поля со стандартным отклонением, равным его среднему полуразмеру.
Сейсмический режим не является одинаковым для всего месторождения. На него влияет множество факторов (время, прошедшее с отработки, количество подработанных пластов, наличие закладки, прочностные свойства пород и др.) [6]. Так или иначе среднюю скорость разрушения подработанного массива можно связать с параметрами закона повторяемости сейсмических явлений, которые известны для всех действующих рудников. Для рудников, которые пока не построены, но будут введены в эксплуатацию в ближайшие годы, данные параметры в первом приближении можно принять равными средним показателям.
Максимальные магнитуды событий, которые возможно ожидать, очевидно, будут определяться максимальными размерами подработанных пространств. На разных рудниках эти величины также могут отличаться, но нигде они не достигают размеров самих шахтных полей. Принимая во внимание известные соотношения площади очаговых зон с их магнитудой [7], можно прийти к выводу, что максимальная возможная магнитуда техногенного очага не будет превышать максимальной магнитуды природных очагов (5,5) в данном районе.
Не смотря на то, что параметры повторяемости известны, повторяемость сильных событий достоверно оценить сложно. Во-первых, сказывается ограниченный диапазон магнитуд инструментально зафиксированных событий
(до 1,5). Во-вторых, в рудниках проводятся все необходимые мероприятия по их предотвращению и устранению условий их возникновения, поскольку реализация одного землетрясения с максимальной магнитудой в калийном руднике может означать прекращение его существования. Однако устранение самого главного условия существования повышенной сейсмической опасности — наличия подработанных пространств — может происходить и более естественным путем в ходе постепенного схло-пывания пластичного соляного массива, которое по длительности сопоставимо со сроками эксплуатации рудника (50—100 лет). Уникальность ситуации заключается в возможности лишь единственной реализации события с максимальной магнитудой (и максимальными размерами очага) в пределах одного рудника, после чего условия, определяющие их принципиальную возможность возникновения в будущем, исчезают совсем.
Таким образом, принимается, что каждая сейсмогенерирующая зона может создавать условия для возникновения не более одного события с максимальной магнитудой за период, равный времени существования горных выработок.
Модель сейсмического эффекта в
первом приближении дает макросейс-мическое уравнение ДМ, г) Н. В. Шебалина [8], имеющее для территории Урала и Западной Сибири вид
I = 1,5МШ - 3,5^(г) + 3, (1)
где г — расстояние до гипоцентра в км, М^и — магнитуда.
Большие размеры территории, характеризуемой данной зависимостью, обусловлены, главным образом, ограниченностью исходных данных, лежащих в ее основе. Определенную роль играет и тот факт, что все техногенные источники приповерхностные, поэтому есть все основания полагать, что в рассматриваемом районе уравнение (1) может давать существенные погрешности. Вся необходимая информация для уточне-
Рис. 2. Уточненным карты1 сейсмической опасности для района Верхней Камыс
ния (1) имеется в макросейсмических данных, собранных после Соликамского землетрясения в 1995 г. В свете современных представлений об этом событии, его очаг располагался на глубине горных выработок (0,3 км), а не на 8 км, как было рассчитано ранее с использованием уравнения (1) и представлено в первом упоминании о нем [5]. Пересмотр волновых форм позволил установить и другие параметры очага, в частности Мш = 3,5. Таким образом, самую адекватную
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.