Сейсмомониторинговые исследования техногенного воздействия на геологическую среду

За последние 30 лет освоение полезных ископаемых Южной Якутии связано с наращиванием мощности горнодобывающих предприятий. Как следствие недра Южно-Якутского каменноугольного бассейна испытывали все более нарастающие воздействия мощных массовых взрывов, производимых на горнодобывающих предприятиях бассейна. Периодические импульсные нагрузки на геологическую среду при производстве массовых взрывов оказывают прямое и косвенное воздействие на верхнюю часть земной коры. Прямое воздействие осуществляется за счет непосредственного влияния нелинейных смещений, вызванных взрывной волной и образования новых нарушений. Косвенные воздействия – за счет активизации структурных элементов на геологических контактах. Дезинтеграция горных пород с повышением водопроницаемости при насыщении микротрещин флюидами может привести к процессам асейсмического течения по активизированным структурам, а значит, к перераспределению энергии землетрясений в сторону более слабых. С другой стороны на «сухих» ослабленных структурах возможно увеличение наклона графика повторяемости закона Гутенберга - Рихтера, а значит приближение времени сильного сейсмического события с несколько меньшей энергией с одной стороны, появлению новых очагов землетрясений с перераспределением напряженно деформированного состояния среды – с другой [1].

Цель работы: добиться некоторой ясности в вопросах, связанных с оценкой степени влияния импульсные нагрузки на уровень сейсмичности в Южно-Якутском регионе.

Исследования проводились в зоне с радиусом 100 км вокруг карьерного поля разреза «Не-рюнгринский» расположенного северо-западней г. Нерюнгри. Карьерное поле разреза пересекается двумя сопряженными активизированными разломами: Амунакта-Муастахским и Нижнее-Нерюнгринким (рис. 1). Современная активность данных тектонических структур подтверждена при производстве детальных геологогеофизических исследований в Южной Якутии [2, 3], а также приуроченностью к ним серии мелких местных землетрясений 7-11-х классов. Техногенное воздействие на геологическую среду следует рассматривать как дополнительный энергетический фактор. Радиус учета его влияния на геологическую среду определяется структурой среды и масштабом внешнего воздействия, с увеличением объема взорванной горной массы вероятность возникновения сейсмособытий увеличивается [1], а длительность влияния определяется её упруго-пластичными свойствами.

Для оценки степени влияния промышленных взрывов на природную сейсмичность в ближней зоне (1 ⁰ х1 ⁰ ) был произведен расчет высвобожденной энергии по годам. Среднее значение энергии с 1962 по 2005 гг. по линейному тренду меняется незначительно. Распределение энергии имеет вид случайной стационарной функции (рис. 2).

Для оценки степени влияния промышленных взрывов на природную сейсмичность в ближней зоне (10х10) был произведен расчет высвобожденной энергии по годам. Среднее значение энергии с 1962 по 2005 гг. по линейному тренду меняется незначительно. Распределение энергии имеет вид случайной стационарной функции (рис. 2). Такой результат может свидетельствовать о том, что массовые взрывы в исследуемый период не оказывали существенного влияния на общий энергетический баланс сейсмотектонического процесса на энергетическом уровне ≥1012 Дж. Стационарность сейсмотектонического процесса (рис. 2) не означает, что воздействие массовых взрывов не может привести к сильной триггерной сейсмической активности, сопоставимой по энергетическим параметрам с естественной сейсмичностью. Так 6 июля 1990 г. произошло землетрясение в 20 км северозападнее Нерюнгринского угольного разреза (НУР) (56,83СШ, 124,42ВД) с К=11,4, которое приходится на пик интенсивности взрывных работ.

Рис. 1. Активные разломы и сейсмичность Южной Якутии:     - карьерное поле

Нерюнгринского угольного разреза

Рис. 2. Изменение суммарной энергии землетрясений в ближней зоне Нерюнгринского разреза за период 1962-2005 гг.

Для исследования закономерностей наведенной сейсмичности в зоне открытых горных работ рассматривались материалы 5-ти летних мониторинговых наблюдений Нерюнгринской сейсмостанции (НСС). За данный период зарегистрировано 346 землетрясений и более 500 взрывов в среднем 6-го энергетического класса. Пространственное распределение взрывов и землетрясений представлено на рис. 3. Можно заметить, что положение эпицентров очагов землетрясений имеет выраженную тенденцию приуроченности к местам производства массовых взрывов .

57.20

Долгота

• 2004 «2005 Д2006 х seysmic

Рис. 3. Пространственное распределение пунктов взрывов и эпицентров слабых землетрясений (К<7) вблизи карьерного поля Нерюнгринского разреза

Качественное сопоставление эпицентров землетрясений и взрывов показывает неразличимость их в пределах технологической площадки Нерюнгринского разреза. Количественное сопоставление по результатам за 2004 г. показало, что из 80 зарегистрированных событий 35 (43%) произошли сразу, или через несколько часов после взрыва, оставшиеся 57% – в течение суток. Очаги землетрясений либо приурочены к пункту взрыва, либо располагаются северо-западнее карьерного поля. Таким образом, в 35-ти км зоне от НУР расположение эпицентров землетрясений в плоскости сохраняет преимущественное распределение в течение 5 лет мониторинговых исследований. В данном случае можно говорить о локальной тектонической активизированной структуре.

Дополнительный анализ по результатам мониторинга за 2004-2007 гг. показал, что из 211 зарегистрированных землетрясений в ближней зоне (квадрат -1 ⁰ х1 ⁰ ) 165 произошли в течение суток после взрывов, причем вблизи технологической площадки зарегистрировано 43 события. В рамках принятых ограничений можно заметить, что техногенное воздействие на среду трансформировалось в самостоятельный локальный сейсмический процесс. Иными словами, под действием массовых взрывов инициировался локальный поток сейсмических событий. Это означает, что либо появилась новая активная тектоническая структура, к которой приурочено 165 из 211 землетрясений (78%), произошедших в радиусе 35-ти км от Нерюнгринского разреза, либо активизировался локальный участок Амну-накта-Муастахского и Нижне-Нерюнгринского активных разломов (рис. 1). Следовательно, малоэнергетические импульсные нагрузки на геологическую среду привели к пространственному перераспределению очагов малоэнергетических (К<7) землетрясений.

Выводы: нарастание техногенного давления на геолого-геофизическую среду приводит к необратимым явлениям в сейсмическом процессе. Эффекты техногенной коррекции сейсмичности проявляются в виде обновления тектонических структур и формирования по косвенным признакам новых локальных нарушений земной коры. Периодическая импульсная нагрузка верхней части земной коры модифицирует режим локальной сейсмичности, перераспределяет энергетику очагов землетрясений. Техногенные новообразования земной коры могут взаимодействовать с системой разломных структур, сформированных естественным сейсмотектоническим процессом. Это означает, что техногенная структура может проявить себя в виде очага будущего землетрясения.