Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

УДК 550.348

П.И. Пигулевский1, В.А. Кендзера1, О.К. Тяпкин2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУЦИРОВАННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНОВ НА УКРАИНСКОМ ЩИТЕ

Интенсивное долговременное развитие горнодобывающей промышленности в старопромышленных регионах стало причиной нарушения геодинамического равновесия, нестабильного состояния верхнего слоя земной коры (до глубины 20 км), что привело к повышению индуцированной сейсмичности Украинского щита. В Криворожском регионе при существующей интенсивности горнодобывающих работ с мощными взрывами могут зарождаться местные землетрясения с магнитудой вплоть до 5 по Рихтеру. Для локализации участков современной активизации тектонических структур с индуцированной сейсмичностью необходимо создать локальную систему сейсмического мониторинга

Ключевые слова: гидрогеодинамический мониторинг, индуцированная сейсмичность, местное землетрясение, мощные горные взрывы, рудники и карьеры

Введение. Промышленная и социальная инфраструктуры на значительной части территории Украины создавались из условий относительно низкого уровня природной сейсмической опасности и в априори не являются сейсмостойкими. Это делает их незащищенными от редких, но потенциально возможных сильных сейсмических воздействий. Результатом которых, может быть высокий сейсмический риск из-за наличия на этих территориях экологически опасных техногенных объектов. Хорошо известно, что даже небольшие сейсмические события могут стать спусковыми механизмами региональных катастроф. Например, авария на Чернобыльской АЭС (Украина) в, как тогда считалось, не сейсмоопасной части Восточноевропейской платформы могла быть индуцирована слабым местным землетрясением [1]. Согласно источнику [1] за 16 секунд до первого взрыва 26/04/1986 на IV блоке АЭС произошло сейсмическое событие с М = 1,4 и эпицентром вблизи ( 10 км) атомной станции, которое могло нарушить технологический процесс и привести к взрыву с выбросом огромного количества радионуклидов.

Минеральное сырье является одним из главных современных экспортных приоритетов Украины. Это основная причина дальнейшего интенсивного развитие горнодобывающей отрасли в старопромышленных регионах. Однако процесс добычи руды сопровождается экологически опасными геомеханическими событиями, в том числе активизацией экзогенных геологических процессов и повышением уровня местной наведенной сейсмичности как за счет природной активизации геодинамических процессов в зонах разломов земной коры, так и мощных промышленных взрывов в шахтах и карьерах. В первую очередь это добыча железной руды в Криворожском железорудном бассейне – Кривбассе (рис. 1), где за два столетия уже добыто более 30 млрд. тонн руды. Следует отметить, что последние 20 лет вся территория центральной Украины по геолого-геофизическим показателям и, в частности, сейсмологическим данным, оказалась более опасной в сейсмическом отношении, чем считалось ранее [2]. Стало также очевидным, что для определения фактических количественных параметров сейсмической опасности и природы конкретных сейсмических событий необходимо организовать инструментальные сейсмологические наблюдения локальной сейсмической активности в районах размещения крупных агломераций, ответственных и экологически опасных объектов.

Природно-техногенные аспекты современной геодинамики Кривбасса. Кривбасс один из основных промышленных центров Украины, где находятся более сотни предприятий горнодобывающей отрасли (в том числе ~75 % основных предприятий Украины по добыче и переработке железной руды), металлургии, машиностроения, химической и других отраслей. Горные выработки формируют вытянутую субмеридиональную зону ~100 км вдоль Криво- рожско-Кременчугского глубинного разлома – главного природного фактора современной геодинамической активизации региона. Здесь скорость современных вертикальных движений земной коры для юго-западной части Восточно-Европейской платформы достигает своего максимума – 10 мм/год. Также установлены изменения направлений этих движений по

11

разные стороны от этого разлома за относительно короткие промежутки времени (5-15 лет). Дифференцированный характер горизонтальных движений в зоне его влияния (3-10 мм/год) свидетельствует о наличии зон сжатия и растяжения, связанных с разноранговыми разломами и блоковыми движениями по ним.

Рис. 1. Обзорная карта Кривбасса: 1 – гранитогнейсовый комплекс Ингуло-Ингулецкой зоны Украинского щита; 2 – гранито-мигматитовый (a) и плагиогранитовый (b) комплексы Среднеприднепровского мегаблока; 3 – Криворожская железорудная структура; 4 – селитебная зона г. Кривой Рог; 5 – сейсмостанция UK-15 (a) и скважина гидрогеодинамического мониторинга с глубиной 815 м (b); 6 – эпицентры техногенных землетрясений, в том числе ус-

редненные по данным удаленных сейсмостанций (a) и по данным UK-15 (b)

Дополнительная техногенная нагрузка (от: хвостохранилищ отходов обогащения железной руды с дамбами высотой до 90 м, в которых собрано около 3 млрд. т опасных веществ; отвалов вскрышных пород массой более 9 млрд. т и высотой до 120 м) активизирует в Кривбассе геомеханические процессы, вызванные открытыми и подземными горными работами с массовыми взрывами (в среднем 384 т взрывчатого вещества на один взрыв). В результате нарушен естественный гидрогеологический режим огромного объема земной коры - около 20 млрд. м3 и массой около 50 млрд. т., в том числе карьеры и шахты – 6 млрд. м3, где образовалось ~50 млн. м3 техногенных подземных пустот, которые формируют ослабленные зоны массивов горных пород. Как следствие, верхний слой земной коры Кривбасса (до глубины ~20 км) характеризуется нестабильным состоянием, из-за мощных промышленных взрывов в карьерах и шахтах, долговременной выемки и перемещения огромных масс горных пород. Отмеченные процессы являются причинами увеличения наведенной сейсмичности в этом регионе. В конце XX – начале XXІ веков здесь начали регистрироваться местные землетрясений с M≤4,0, в т.ч. 24/05/1996 (08:59 UTC, M = 3,3); 08/12/2000 (03:38 UTC, М =

3,6); 21/05/2001 (01:53 UTC, М = 3,7); 12/02/2002 (12:12 UTC, M = 3,7), 25/12/2007 (04:09:31

UTC, М = 3,3) [3]. Но только в 2012 году в г. Кривой Рог была установлена сейсмическая станция UK-15, напрямую связанная с Национальным центром сейсмологических данных в

12

Институте геофизики НАН Украины (г. Киев). Этой станцией до 01.10.2017 г. было зафиксировано 21 сейсмическое событие, местные землетрясения и сильные промышленные взрывы.

Особенности спектрограмм сейсмических событий с магнитудой М≥3,0 в Кривбассе. Фиксируются существенные отличия в записях сейсмических событий разного происхождения в Кривбассе (рис. 2). Спектрограммы землетрясений, по сравнению со спектрограммами взрывов, являются более «насыщенными» без явных диапазонов угасаний и с четкими максимумами спектральной плотности в интервале записи Lg- и LR-волн. Основная часть энергии от взрывов фиксируется в интервалах поверхностных волн. Увеличение спектральной плотности на спектрограммах при взрывах отмечается на полосе записи P- и Lg-волн, далее на спектрограммах фиксируется ее резкое угасание. Максимум спектральной плотности Lgволны находится в диапазоне частот 1-15 Гц, LR-волны – до 1 Гц. Отмечены различия записей взрывов в карьерах и глубоких шахтах, вызванные не только разными условиями расположения взрывов, но и разной мощностью зарядов. Спектр карьерных взрывов (например, на Ингулецком горно-обогатительном комбинате на юге Кривбасса с массой 900-1000 т взрывчатого вещества) также находится в полосе частот до 15 Гц, но (в отличие от шахтных взрывов) максимумы спектральной плотности наблюдаются не в интервале записи Lg-волны, а в цуге LR-волны частотой 1-2 Гц. Вступление Р-волны для менее мощных взрывов очень сложно отделить от помех. Четко проследить удается только вступления и цуги поверхностных волн. На записях сейсмостанций, расположенных на расстоянии 430 км и более от карьера, уверенно выделяются и идентифицируются сигналы только от мощных взрывов (≥1000 т взрывчатого вещества).

Примеры местных тектонических землетрясений на фоне техногенных и сейсмических событий техногенно-природного происхождения в Кривбассе [2]. Землетрясение 25/12/2007 было зарегистрировано 68 сейсмическими станциями на эпицентральном расстоянии до 7400 км от Кривбасса (рис. 2, а). В результате анализа особенностей волновой картины на записях сейсмостанций, расположенных на разных расстояниях и разных азимутах от эпицентра землетрясения, было определено, что его причиной было действие сжимающих горизонтальных напряжений. Координаты эпицентра и глубины очага по данным разных международных центров данных хорошо совпадают, но значении магнитуды значительно различается – от 3,0 до 3,9 , что объясняется не сферической диаграммой направленности излучения сейсмических волн из очага не характерной для взрывов.

Землетрясение 14/01/2011. Параметры этого землетрясения, рассчитанные по данным разных сейсмических центров, достаточно близки (таблица). Но существенные различия отмечаются в глубине его очага – от 0 до 30 км. Техногенная природа этого землетрясения подтверждается совпадением его времени в очаге со временем шахтных взрывов (6-7 часов утра по местному времени). Промышленные взрывы (с небольшой массой заряда – 4,8 т) в районе эпицентра землетрясения в это время производились в шахте Орджоникидзе. Такие взрывы не могли привести к сейсмическому событию с интенсивностью 5 балов по макросейсмической шкале MSK-64. Но они могли стать спусковым механизм для возникновения такого мощного землетрясения. Также известно, что в это же самое время промышленный взрыв с 36 т взрывчатого вещества на глубине 1200-1300 м был произведен в шахте Ленина. Он также мог спровоцировать местное землетрясение интенсивностью в эпицентре ~5 балов по шкале MSK-64.

13

Землетрясение 23/06/2013 с М = 4,5-4,7 произошло ночью (00:16 местное время), когда любые промышленные взрывы в Кривбассе отсутствовали (рис. 3). Определенная по данным UK-15 глубина его очага (h~2 км) значительно отличается от глубины 10-20 км по данным удаленных сейсмостанций (Международные центры данных BUC, NEIC, GFZ, AKАSG, GSRC, BGSG). Это землетрясение (как и сейсмическое событие 25/12/2007) произошло в результате действия горизонтальных субмеридиональных сжимающих напряжений. Результаты гидрогеодинамического мониторинга в скважине (рис. 1) подтвердили время сжатия и растяжения. Максимум основного сжатия (поднятия уровня воды), обозначенный на рис. 4 буквой С в кружочке, был в 4 часа утра – за 17 часов до землетрясения. Наведенный характер сейсмичности подтверждают результаты сопоставления координат эпицентров указанных выше землетрясений и ближайших шахт Ленина, Орджоникидзе и Гвардейская, где были взрывы. Местоположения эпицентра землетрясения 23/06/2013 (по данным UK-15) и этих шахт мало отличаются: по широте Δφ = 0,02-0,04° и по долготе Δλ = 0,02- 0,03°. Это существенно меньше таких расхождений координат (до начала функционирования UK-15), в том числе для сейсмического события 27/12/2007: Δφ = 0,03-0,05°, Δλ = 0,05-0,06° - и для сейсмического события 14/01/2011: Δφ = 0,03-0,05°, Δλ = 0,19-0,21° [4].

Выводы. Причиной активизации сейсмической активности Кривбасса является нарушение геодинамического равновесия и перевод в нестабильное состояние верхней части земной коры (до глубины ~20 км) в результате мощных промышленных взрывов в шахтах и карьерах, а также перемещение в пространстве огромных объемов геологической среды в течение многих десятилетий.

Рис. 4. Результаты гидрогеодинамического мониторинга, в том числе уровень Р

итемпература Т подземной воды в скважине (рис. 1), от 03/06/2013 до 26/06/2013 (а)

идетально 23-24/06/2013 (б) (UTC)

Данные сейсмостанции UK-15, введенной в эксплуатацию в 2012 г. в Кривбассе, существенно уточняют информацию о влиянии мощных промышленных взрывов на появление наведенной сейсмичности с учетом пространственно-временного совпадения.

При сохранении существующей интенсивности добычи железной руды с мощными промышленными взрывами в Кривбассе могут происходить землетрясения с М≥4,6. Для определения фактических параметров сейсмической опасности и природы конкретных сейсмических событий необходимо создать локальную систему сейсмического мониторинга (на базе станции UK-15), целью которой будет локализация телесейсмическими методами участков современной активизации тектонических структур, наиболее чувствительных к наведенной сейсмичности. Наблюденные системой сейсмологические данные будут передаваться местным властям, в национальный центр сейсмологических данных и международные сейсмологические центры, в в Европейско-Средиземноморский сейсмологический центр (EMSC).

15