Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка месторождений Хибин с извлечением огромных масс руды, переработкой и последующим перемещением отходов приводит к тому, что активизируются локальные тектонические процессы, проявляющиеся в виде горных ударов и техногенных землетрясений. Анализ местоположения эпицентров землетрясений показывает, что большинство сейсмических событий произошло в зонах активных разломов и группируются в непосредственной близости от района ведения горных работ. Вблизи действующих рудников отмечаются землетрясения силой 5-6 баллов. Глубина очагов большинства землетрясений до 5 км, часть из них отмечена на глубине до 15 км.
С развитием горных работ площадь, охваченная эпицентрами землетрясений, увеличивается. Землетрясения появляются на все большем удалении от рудников, что свидетельствует о том, что в процесс активизации вовлекаются все большее количество геодинамических блоков и сейсмически активная зона увеличивается по плошади. Возрастает опасность техногенной сейсмичности для ведения горных работ, для близлежащих городов Кировска и Апатиты, а также для Кольской АЭС, которая удалена от массива на расстояние 50-60 км по прямой. Такие явления обусловливаются, с одной стороны, особенностями геологического строения района, а с другой - характером инженерного воздействия и его интенсивностью.
Ослабить негативные последствия техногенной активизации сейсмических процессов можно, лишь создав эффективную систему прогнозирования геодинамической обстановки в зоне ведения горных работ на основе анализа состояния массива в целом. Это предполагает необходимость серьезного изучения техногенных землетрясений и толчков в Хибинском горном массиве.
Одной из актуальных задач является изучение связи между пространственной частотой возникновения землетрясений, темпами и объемами горных работ с геологическими блочными структурами Хибинского гордого массива. Решение этой задачи напрямую зависит от точности оценки местоположения эпицентров событий.
Для детального исследования динамики тектонических процессов, активизированных техногенными факторами, кроме точных координат очага, необходима дифференцированная информация об очаге, включающая разные аспекты величины землетрясения. В наших условиях исследование механизма очагов землетрясений затруднено из-за отсутствия плотной сети сейсмических станций, позволяющей произвести оценки параметров сейсмических источников по знакам первых вступлений объемных волн.
Для детального изучения Хибинского массива как системы необходима сеть сейсмических станций, расположенных на расстояниях, сравнимых с размерами самого массива, поскольку стандартные сейсмические методы шявления опасных участков, основанные на оценке пространственного
распределения интенсивности сейсмических шумов в районе разработок, нацелены на исследование сравнительно малых объемов и не позволяют оценить характер текущего сейсмического режима Хибин в целом. При решении этих задач значительную роль играет количество и расположение сейсмических станций. Организация наблюдений на сети станций, удаленных на расстояние несколько десятков километров от эпицентров техногенных землетрясений, позволяет выявить закономерности распределения очагов техногенных землетрясений, получить информацию об их механизмах и особенностях диаграмм излучения сейсмической энергии из очага и проанализировать пространственное поведение спектральных характеристик поверхностных и объемных волн. Эти сведения необходимы для дальнейшего развития представлений о физике очага техногенного землетрясения Хибинского горного массива и формирования подхода к созданию его математической модели.
Целью работы является развитие методов расчета параметров очагов техногенных землетрясений для формирования подхода к созданию математической модели поведения Хибинского горного массива под интенсивным техногенным воздействием, что позволит существенно расширить диагностические возможности сейсмических наблюдений при прогнозе техногенных землетрясений.
Идея работы. Заключается в использовании спектральных методов исследования и теории сейсмических источников, что позволяет разработать методику расчета динамических параметров очагов техногенных землетрясений: сейсмического момента М0, сейсмической энергии Es, длины L и ширины W разрыва, величины средней подвижки U и падения напряжений Да.
Задачи исследований. Разработка и применение методик для коррекции спектра сейсмического сигнала при расчете динамических параметров очагов техногенных землетрясений:
анализ хода тектонических процессов в Хибинском горном массиве;
разработка скоростной модели для района Хибин;
разработка метода оценки точности локации;
разработка метода расчета истинного смещения почвы в точке регистрации;
разработка метода определения коэффициентов затухания объемных воли по данным двух сейсмических станций для района наблюдений и определение средней добротности среды;
выбор и анализ моделей разрывов;
расчет параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива.
Методы исследований. Работа выполнялась с применением комплекса методов, включающего анализ научно-технической литературы, обработку цифровых данных на ЭВМ, при решении поставленных задач использованы
методы вычислительной математики, компьютерного эксперимента и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерность изменения напряженно-деформированного состоя
ния иерархически-блочной системы Хибин, заключающаяся в явлении
повышения сейсмической активности массива при спаде горнодобы
вающего производства.
2. Методы расчета величин для коррекции амплитудных спектров
смещения объемных волн на геометрическое расхождение, затухание и
влияние свободной поверхности с учетом локальных особенностей среды
Хибинского массива.
3. Обоснование применимости моделей сейсмического источника
Хаскелла и Бргоне для расчета динамических параметров очагов техно
генных землетрясений Хибинского массива.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в выявлении нескольких периодов повышения сейсмической активности массива при спаде горнодобывающего производства;
построена и исследована скоростная модель среды с постоянным градиентом скорости, что позволило объяснить кинематическую картину сейсмического сигнала мелкофокусных событий;
разработана методика автоматического подбора коэффициента регуляризации под конкретные спектры выходного сигнала и частотной характеристики датчика, используя данные об ошибках их измерения;
разработан новый способ определения коэффициентов затухания объемных волн по данным двух сейсмических станций, найдено среднее интегральное значение коэффициента затухания для продольной волны и определено среднее значение добротности среды;
разработана новая методика выбора оптимального размещения сейсмических станций для повышения точности локации сейсмических событий;
разработан новый способ оценки точности локации эпицентров сейсмических событий, позволяющий вести расчеты для широкого класса функций распределения случайных ошибок измерения времен первых вступлений сейсмических волн;
» на основе спектральных методов впервые для очагов Хибинского мас-:ива определены сейсмический момент, длина и ширина разрыва, величина средней подвижки, падение напряжений, вычислена сейсмическая энергия по полученным параметрам очага.
Личный вклад автора: » интерпретация и классификация сейсмических событий, расчет их маг-читуды и энергии;
» определение параметров скоростной модели с постоянным градиентом :корости, сравнение результатов, предсказываемых моделью, с экспери-
ментальными данными, а также проведение сравнительного анализа ошибок локации для разработанной и ранее существовавших моделей;
разработка и апробация методики измерения скорости движения и смещения частиц почвы на сейсмических станциях;
разработка методики определения коэффициентов затухания по данным двух сейсмических станций;
оценка оптимального размещения третьей сейсмической станции с позиции минимизации погрешности определения координат эпицентра;
расчет погрешностей определения координат эпицентров как по данным двух уже имеющихся станций, так и для трех практически возможных конфигураций из трех станций.
расчет динамических параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива, таких как: сейсмический момент, длина и ширина разрыва, величина средней подвижки, падение напряжений и сейсмическая энергия.
Достоверность научных положений, выводов подтверждается проведением свыше 500 экспериментальных наблюдений за промышленными взрывами с известными координатами на 6 рудниках в Хибинском горном массиве, оценена и подтверждена методами математической статистики и положительными результатами внедрения исследований в проектные разработки Кольской АЭС-П. Отчет одобрен МАГАТЭ.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
повышена точность определения координат мелкофокусных сейсмических событий с 2-2.5 км до 500-600 м и практически полностью устранена систематическая ошибка локации эпицентров;
определен средний интегральный коффициент затухания Р-волн по данным двух станций для среды Хибинского района и определено среднее значение добротности среды;
автоматически подбирается коэффициент регуляризации под конкретные спектры выходного сигнала и частотные характеристики датчика;
оценены возможные варианты месторасположений дополнительных станций для выбора оптимального размещения новой сейсмической станции в дополнение к двум имеющимся;
рассчитаны динамические параметры очагов техногенных землетрясений Хибинского массива;
результаты исследований могут быть использованы при оценке сейсмической опасности, возникающей при интенсивном техногенном воздействии, при оценке эффективности региональных мер борьбы с техногенными землетрясениями как для района Хибинского массива, так и для других регионов. Предложенные методики могут быть успешно применены как для анализа техногенных землетрясений, так и для изучения естественной сейсмичности.
Реализация работы. Основные положения работы включены в алгоритмы действующих программ расчета параметров эпицентров, определения
энергии землетрясений Хибинского массива Кольского регионального сейсмологического центра (КРСЦ). Методика расчета ускорений и скорости движения частиц почвы по данным цифровой регистрации использована при разработке программы для обработки данных в ходе выполнения хоздоговора П/263/92-1474 от 25.12.92, который внедрен в проектные разработки Кольской АЭС-Н. Мероприятия по развертыванию третьей сейсмической станции "Хибины" (67.47 N. 33.56 Е) КРСЦ основаны на результатах применения предложенного автором метода выбора оптимального размещения дополнительной сейсмической станции.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседаниях Ученого Совета КРСЦ г. Апатиты, на 1-й Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада" (С.-Петербург, 1995 г.), на 3-ем международном Баренцевоморском симпозиуме, Киркенес, Норвегия, 1996 г.
Публикации. По результатам выполненых исследований опубликовано 6 печатных работ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации изложен на 183 страницах, содержит 33 рисунка, 9 таблиц. Библиография включает 92 наименования.
Автор в процессе работы пользовался консультациями и советами научного руководителя профессора Д. В. Яковлева, профессора И. М. Пету-
ц>а Ї] и
хова, д. т. н. |В. А. Смирнова! и инж- С. Н. Мулева, за что выражает им огромную признательность. Автор глубоко благодарен к. ф.-м. н. Ю. В. Фе-доренко, к. т. н. В. М. Тряпицыну за постоянное внимание и содействие в подготовке данной работы.