ТЕХНОГЕННАЯ СЕЙСМИЧНОСТЬ И ЕЁ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Кандидат геолого-минералогических наук М.А. ХАРЬКИНА
В геологии различают природную и техногенную сейсмичность. Природная сейсмичность, или природная сейсмическая активность, являющаяся результатом глубинных процессов в земной коре, обнаруживается на поверхности планеты в виде эпизодических землетрясений разной силы и постоянно существующего поля микросейсмических колебаний. Землетрясения возникают внезапно, а их негативные последствия могут ощущаться в течение нескольких десятилетий. Наблюдающееся в настоящее время усиление сейсмической активности приводит к тому, что с каждым годом землетрясения наносят всё больший материальный ущерб и становятся причиной всё большего числа человеческих жертв.
По генетическому признаку среди природных землетрясений выделяют тектонические, вулканические и обвальные. Большая часть всех известных землетрясений относится к категории тектонических. Они связаны с процессами горообразования и движениями в разломах литосферных плит в верхней части земной коры. Это около десятка огромных блоков, перемещающихся под воздействием конвекционных течений в верхней мантии. Одни тектонические плиты двигаются навстречу друг другу, другие - расходятся в стороны, третьи скользят друг относительно друга в противоположных направлениях.
Вулканические землетрясения представляют собой особую категорию проявления эндогенных процессов. Своим происхождением слабые и сильные вулканические землетрясения обязаны движению раскалённых газов и магматического вещества в недрах вулканических гор. Газы и магма давят на верхние слои Земли, что приводит к сериям мелких землетрясений (вулканическому тремору, или дрожанию).
Подготовка к извержению вулкана может проходить в течение лет и столетий. Вулканическая деятельность сопровождается подземными взрывами пара и газов в больших объёмах, что порождает сейсмоакустические колебания, вызывая землетрясения и шумовые эффекты. Движение высокотемпературной магмы в недрах вулкана приводит к растрескиванию горных пород, а это, в свою очередь, также вызывает сейсмическое и акустическое излучение.
Землетрясения могут быть вызваны обвалами и большими оползнями. Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и небольшую силу. Магнитуда обвальных землетрясений не превосходит 5. Они возникают в районах, где есть подземные пустоты, выработки или крутые (обвалоопасные) склоны. Непосредственная причина колебания грунта при обвальных землетрясениях заключается в обрушении кровли пещер, сходе обвалов или образовании айсбергов, когда от шельфового льда откалываются блоки и обрушиваются в океан.
Техногенная сейсмичность связана исключительно с деятельностью человека * и характеризуется небольшой интенсив- § ностью, как правило, не превышающей г фоновую сейсмичность, и относительно I малой глубиной расположения очага (10- 2 15 км). Однако в сейсмически активных % районах происходит наложение тектони- ! ческих сил и направленных техногенных 2 воздействий, что приводит к нарушению | природного напряжённо-деформирован- § ного состояния массивов пород. «
Принципиальная схема подготовки | и реализации сильных сейсмических ? событий в массиве при естественном = развитии процессов и под влиянием техногенных воздействий представлена
© М.А. Харькина
11
Сейсмический фон
А Б А
I__^ ------- ^^ /III /i V «III II / J_У/х 111
/ " 1 4
1
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII INI II II INI III 1 II IUI 11 .....Hill lllllll .........
Сейсмический фон Возбуждённая
сейсмичность
Рис. 1.
Принципиальная схема изменений во времени (t) скорости деформаций (V), тектонических напряжений (о) и выделения сейсмической энергии (Е) (Источник: см. сноску 1)
Стадии: I - подготовки разрыва, II - проявления форшоков, III - возникновения главного толчка землетрясений, перераспределения напряжений и проявления автершоков; а - при естественном развитии процесса: 1 - изменение напряжений о, 2 - изменение скорости деформаций; б - при ведении горных работ: 3, 4 - изменение напряжений и скорости деформаций при отбойке определённых объёмов горных пород, А - изменение объёма извлекаемых горных пород, Б - изменение концентраций напряжений за счёт выемки горных пород.
на рис. 11. При естественном развитии процесса (рис. 1а) выделяют три стадии подготовки сейсмического события: I - накопление тектонических напряжений при медленно развивающейся
деформации; при этом выделяются небольшие порции энергии в виде слабых толчков или землетрясений (сейсмический фон);
II - нарастание напряжений и активизация деформаций, сопровождающаяся проявлением форшоков и укрупнением разрывов; эта стадия завершается образованием крупного разрыва, вызывающего главный толчок землетрясений;
III - последующее перераспределение напряжений, разрастание разрыва, проявление автершоков2. Под влиянием техногенных воздействий напряжения достигают предельных величин значительно раньше (рис. 1б) и чаще реализуются в виде более слабых толчков.
Взрывные, или, как чаще их называют, наведённые землетрясения возникают при добыче полезных ископаемых подземным способом, при создании гидротехнических комплексов, а также в результате военной деятельности. Техногенные землетрясения происходят не сразу после техногенных вмешательств, а через некоторое время: 2-4 года после заполнения водохранилищ или 2-14 и более лет после начала разработки месторождений (табл. 1).
Техногенные землетрясения в условиях подземных выработок, несмотря на свою небольшую интенсивность, в условиях ограниченного замкнутого пространства приводят к катастрофическим последствиям. Пример таких событий -динамические явления 21 января 1960 г. на руднике Коулбрук в ЮАР, где были зафиксированы разрушения на площади около 3.2 км2 и погибли 437 подземных рабочих (см. сноску 1).
1 Козырев А.А. Техногенная сейсмичность при ведении горных работ на рудниках Кольского полуострова. Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика. Ч.1. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН. 2004.
2 Форшок - землетрясение, произошедшее до более сильного землетрясения и связанное с ним примерно общим временем и местом; автершок - повторный сейсмический толчок меньшей интенсивности по сравнению с главным сейсмическим ударом.
Техногенные землетрясения возникают как при интенсивном отборе углеводородов, так и при закачке жидкости для поддержания пластовых давлений с целью повышения нефтеотдачи. На некоторых месторождениях проявляется тесная связь между изменениями во времени объёма закачиваемой воды в пласты и изменениями режима сейсмической активности. Примером проявления такой связи является Кумдагское нефтяное месторождение (Туркменистан), где произошло землетрясение с магни-тудой 5.7 и с очагом на глубине 7-8 км (1984 г.)3.
Тесно связаны с техногенной сейсмичностью горные удары. Они случаются, когда напряжения, возникающие вокруг горной выработки, заставляют большие массы горных пород резко со
Таблица 1
Интервал времени между началом
разработки месторождений и активизацией сейсмичности
Период
экс-
Месторождения плуа-
тации,
лет
Газовые месторождения 2
Strachan (Канада) Rocky Mountain (США)
Лак (Франция) Газли
(Узбекистан) Fashing (США)
Нефтяные месторождения
Нефтегорское (Россия) Ромашкинское (Россия)
3 Нурмагамбетов А. Техногенные сейсмические явления, связанные с разработкой и эксплуатацией месторождений твёрдых полезных ископаемых, нефти и газа // Геология и охрана недр. 2010. № 1 (34).
Объём бурения V х ю4, м3
Количество сейсмособытий N х ю3 Суммарная энергия Е х ю5, Дж
10 20 20
8 16 16
б 12 12
4 8 8
2 4 4
0 0 П
»£>- V ф■ ф-ф V V V <р* Количество сейсмособытий Суммарная энергия —•— Объём бурения
взрывом отделяться от массива, возбуждая сейсмические волны. Горные удары чаще возникают на угольных шахтах на глубинах 150-200 м, в них участвует упругая энергия пласта угля и энергия окружающих пород. Например, в Кузбассе на шахте Усинской в 1978 г. произошло 4 горных удара с завалами выработок больших объёмов и трёхбалльным землетрясением. В результате шахта была закрыта на два года, а горняки временно лишились рабочих мест4.
На шахте "Центральная" Печерского бассейна 18.01.1998 г. в результате внезапного выброса угля и последующего взрыва горючих газов разрушилось 9.5 км выработок, 26 вентиляционных перемычек, при этом пострадало 32 человека, в том числе 27 человек погибли, 5 - получили травмы различной степени тяжести. Шахта была закрыта5.
При разработке полиметаллических месторождений горные удары происходят, как правило, на больших глубинах. Их возникновение связано с перераспределением тектонических напряжений в
4 12
12 16
30
39
4 Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири. М.: ООО "Геоинформмарк". 2003.
5Лаптев Б.В., Минькин А.Н., Перепелицын А.И. О геодинамической ситуации на горных предприятиях России. Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика. Ч. 1. Апатиты:Изд-во Кольского научного центра РАН. 2004.
Рис. 2.
Распределение суммарной энергии сейсмособытий и их количества в зависимости от объёмов бурения разгрузочных скважин на руднике "Октябрьский". (Источник: см. сноску 6)
Таблица 2
Динамика роста количества сейсмических событий на рудниках Талнахского месторождения
Год
Количество сейсмособытий с энергией свыше 1000 Дж
Рудник "Таймырский"
Рудник "Октябрьский"
Предыдущие 5 лет 2001 2002 2003
от 5 до 11
7
29
24 51 105
массиве горных пород. Проявление горных ударов можно рассматривать как способность литосферы к геодинамической самоорганизации и возврату в состояние динамического равновесия.
За сейсмическим режимом шахтных полей рудников ведутся долговременные наблюдения. На примере шахтных полей рудников "Таймырский" (глубиной 100015 000 м) и "Октябрьский" (700-1000 м) Норильского промышленного района установлена взаимосвязь между сейсмо-проявлениями, объёмом бурения разгрузочных скважин и изменением площадей выработанного пространства6.
На руднике "Октябрьский" с
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.