CC BY
14
© В В. Бодин, 2014
УДК 6252.83.550.3 В.В. Бодин
ВЛИЯНИЕ ЛОКАЛЬНО-НАПРЯЖЁННЫХ ЗОН ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
Рассмотрено пространственное распределение спектров сейсмических волн, распространяющихся в локально-напряжённых зонах тектонических нарушений. Показано, что характер распределения высокочастотных гармоник сейсмических волн подобен распределению напряжений в окрестности тектонических нарушений.
Ключевые слова: геодинамические явления, тектонические нарушения, сейсмические исследования, сейсмические волны, породный массив.
Анализ геодинамических явлений, регистрируемых на подземных рудниках, показывает, что подавляющее их большинство приурочено к тектоническим нарушениям [1, 2, 3]. Это связано с тем, что разномо-дульные неоднородности, к которым относятся и тектонические нарушения, формируют в своей окрестности локально-напряжённые зоны, уровень напряжений в пределах которых, превышает фоновые в 2-5 раз [4, 5, 6]. Натурными и лабораторными исследованиями процесса разрушения горных пород установлено, что параметром характеризующим геодинамическую опасность, является градиент распределения напряжений (<<о/<х) в зоне влияния тектонического нарушения [6, 7, 8]. Результаты мониторинга градиента напряжений дают возможность получать информацию для более достоверного прогноза геодинамической опасности.
Сейсмическими исследованиями, выполненными на ряде подземных рудников, показана связь напряжённого состояния локально-напряжён-
ных зон со спектральными параметрами нелинейных колебаний [9,10], что является предпосылкой для исследования характера пространственного распределения спектров нелинейных колебаний в окрестности тектонических структур с целью определения градиента частоты для последующей оценки градиента напряжений в зоне тектонического влияния разлома.
В качестве одного из объектов исследования рассматривается породный массив, включающий крутопадающее тектоническое нарушение, мощность деформированной зоны которого составляет 3 метра. Геофизические наблюдения выполнялись на шахте «Магнетитовая» Всокогорского месторождения магнетита. Методика наблюдений выполненных исследований аналогична методике приведённой в работе [10]. Фотография тектонического нарушения и пересекающего его сейсмического профиля приведена на рис. 1. Видимая зона деформации разлома распложена между ПК 19 и ПК 22.
Рис. 1. Фотография сейсмического профиля, пересекающего тектоническое нарушение
7000
и 6000
,т н 5000
и
> 4000
т
с
о А 3000
о
к
и 2000
1000
4
24
8 12 16 20
Рсстояние, пк
- график скорости продольной волны, м/с
- график скорости поперечной волны, м/с
у//////////л| - интервал ослабленной зоны ■ ■ - интервал тектонического нарушения
Рис. 2. Графики интервальных скоростей продольной и поперечной волн в окрестности тектонического нарушения. Высокогорский рудник, шахта «Магнетитовая»
Для оценки степени влияния тектонического нарушения на параметры упругости исследуемого породного массива, по линейным участкам годографов продольных и поперечных волн, зарегистрированных из выносных пунктов возбуждения колебаний (ПВ) определены значения интервальных скоростей (Дх/Д1:).
Графики интервальных скоростей приведены на рис. 2. Анализ распределения интервальных скоростей показал, что резкое падение скорости сейсмических волн отмечено на интервале дислоцированных пород (ПК 19 - ПК 22), которое составляет, относительно скорости во вмещающем массиве, 29 % для продольной волны (Ур) и 35 % для поперечной (Уэ). На интервале профиля (ПК 15 - ПК 19), который примыкает к зоне дислоцированных пород, также наблюдается уменьшение интервальной скорости - на 16 % для Ур и на 26 % для Уэ. Эта зона пониженной скорости, согласно модели динамического влияния разлома [Шер, Выл], является зоной повышенной трещиноватости и пластической деформации горных пород. Кроме скоростной неоднородности, вызванной тектоническим нарушением, в пределах исследуемого массива присутствует визуально не выделяемая зона пониженной скорости (ПК 6 - ПК 10, предположительно зона микротрещиноватости). Падение величины скорости в этой зоне незначительное и составляет 13 % для Ур и 17% для Уэ. Таким образом, исследуемый породный массив содержит две различные неоднородности с пониженными параметрами упругости, которые в поле действующих сил, согласно [11, 12], являются концентраторами напряжения.
0
. ■ -Л. ^ [¡Г^^-" 6 ! д | . | т
"■ 1 ли; 50
. 11»^: ---4 М * \ * М ■ *А. Ал Д'\лл
I—------
—ЛллпИА/лМ^^*'^*-'—>—I—■
*1'.*■ * V1 ,д
-ши
--г'».........
»; : 1* ЙСМВГРЛЫМА . . -■ -------------- —.........'■-
Н"—"1 "' I »■ум— да
Г
Для определения характера влияния упругих неоднородностей на пространственное распределение спектральных характеристик сейсмического волнового поля был выполнен спектральный анализ сейсмических данных, полученных на различных удалениях ПВ от базы наблюдения. Пример зарегистрированных сейсмограмм и определённых на их основе спектрограмм показан на рисунке 3. Визуальный анализ сейсмограмм показал, что скоростные неоднородности выделяются в структуре поля аномальными колебаниями на тех пикетах регистрации, которые расположены на границах и в пределах неод-
Рис. 3. Сейсмограммы и их спектрограммы, полученные из двух симметрично расположенных пунктов возбуждения - а, б - ПВ 1; в, г - ПВ 2
нородностей. Так, на контактах зоны микротрещиноватости (ПК 6, ПК 11) регистрируются продолжительные колебания, частота которых на 20% превышает частоту колебаний поперечных волн и на 30% ниже частоты продольной волны. В зоне дислоцированных пород тектонического нарушения (ПК 20) регистрируется длительное низкочастотное колебание, частота которого в 3 - 3.5 раз ниже частоты колебаний поперечной волны (рис. 3, а, 3, в). Анализ спектрограмм, определённых по волновому полю 20-ти сейсмограмм, показал, что на интервалах скоростных неоднородно-стей, кроме спектральных максимумов
б
а
2000
г
я" 1500
500 ПВ 1
\ Г4 1
1 \ /
\
. Г || 111 ■ 1 ■ ■ ^ 1 ' 1 ■
ПВ 2 т
20
24
возбуждения колебаний (ПВ 1, ПВ 2). Согласно приведённым графикам, с удалением от зоны дислоцированных пород тектонического нарушения и границы зоны микротре-щиноватости частота ультрагармоник линейно возрастает и, достигнув максимального значения, с большим или меньшим градиентом уменьшается. Градиенты частоты ультрагар-
Рис. 4. Графики пространственного распределе- моник восходящих ветвей в ния амплитудных максимумов ультрагармоник, за- зоне влияния разлома (ПК регистрированных из 2-х симметрично расположенных пунктов возбуждения - ПВ 1, ПВ 2
8 12 16
Рсстояние, пк
1 - график пространственного распределения высокочастотных гармоник сейсмического сигнала, ПВ 1
- график пространственного распределения высокочастотных гармоник сейсмического сигнала, ПВ 2
продольной и поперечной волн, присутствуют гармоники, частота которых превышает частоту колебаний продольной волны. Достаточно уверенная корреляция амплитудных максимумов позволяет получить графики изменения частоты ультрагрмоник в зоне влияния низкомодульных неод-нородностей. Анализ спектрограмм, определённых по сейсмограммам, зарегистрированных на данном объекте, а так же на других объектах, показал, что на большинстве из них пространственное распределение ультрагармоник имеет закономерную форму, подобную характеру распределения напряжений в окрестности разломов [6]. Что указывает на общую закономерность изменения спектрального состава сейсмических волн при распространении их в породном массиве, включающем низкомодульные неоднородности.
На рис. 4, в качестве примера приведены графики пространственного изменения частоты амплитудного максимума ультрагармоник сейсмических волн, зарегистрированных из двух симметрично расположенных пунктов
15 - ПК 20) и в зоне мик-ротрещиноватости (ПК 1 -ПК 6) при возбуждении колебаний в ПВ 1 и ПВ 2 совпадают и составляют 310 Гц/м и 230 Гц/м соответственно. Градиенты нисходящих ветвей графиков (ПК 10 - ПК 13) резко различаются и составляют для ПВ 1 - 440 Гц/м и 160 Гц/м для ПВ 2. Вероятной причиной различия градиентов частоты нисходящих ветвей графика является влияние анизотропных свойств рассланцованных горных пород в зоне динамического влияния разлома. Причиной же значительной величины градиента частоты, определённого по колебаниям, возбуждённым в ПВ 1, является влияние суммарного напряжения, вызванного двумя близко расположенными низкомодульными неодно-родностями. Высокая концентрация напряжения на интервале ПК 11 -ПК 13 подтверждается определённым ранее напряжённым состоянием породного массива методом щелевой разгрузки [13], которое составило 89,9 МПа, при фоновом значении напряжения в исследуемом блоке равным 43.6 МПа [13].
Таким образом, на основании анализа спектров сейсмических
волн, распространяющихся в локально-напряжённых зонах, сформированных низкомодульными не-однородностями, можно сделать вывод о том, что, во-первых, характер пространственного распределения ультрагармоник сейсмических колебаний близок к характеру распреде-
1. Еременко A.A., Курленя М.Б. Разработка железорудных месторождений в зонах повышенной сейсмической активности// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаеых. 1990. №2. С. 3.
2. Ловчиков А.Б., Гуменков Б. П. О роли естественных и техногенных факторов в реализации горно-тектонических ударов на рудниках.\ Динамика и напряженное состояние недр Земли. Труды международной конференции.- Новосибирск, СО РАН, 2001. - С. 243-250.
3. Егоров П.Б., Редькин Б.А. Мониторинг горных ударов при разработке рудных залежей с блочной структурой. // Международная конференция «Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли». - Новосибирск, 2-4 октября 2001. - С. 309-314.
4. Айтматов И.Т., Ялымов Н.Г., Кожу-гулов К.Ч., Рогожников О.Б., Ялымов Р.Н. Формирование поля напряжений в районе активных разломов Тянь-Шаня. // Международная конференция «Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли». - Новосибирск, 4-7 октября 1999. - С. 289-294
5. Шабаров А.Н. О формировании геодинамических зон, опасных по горным ударам./ ФТПРПИ, 2001, №2. - С. 16-27.
6. Былекжанин Б.Н., Егоров П.Б., Мурашов Б.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов.- Новосибирск. Наука. Сиб. отд-ние. РАН 1990. - 205 с.
ления напряжений, сформированных в окрестности тектонических нарушений, показанных в работе [6]. Во-вторых, градиент частоты ультрагармоник отражает изменение напряжённого состояния горных пород в окрестности тектонических нарушений.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность горных массивов. -М.: Наука. 2007. - 406 с.
8. Методические рекомендации и наказы по повышению безопасности ведения горных работ в удароопасных условиях у тектонических нарушений на шахтах СУБРа / Сост. А.А. Аксенов, Р.П. Потехин, В.С. Ломакин, А.Н. Шабаров. Североуральск, 1994. - 82 с.
9. Bodin V.V. Unlinear wave processes in the vicinity of tectonic heterogeneities by weak seismic waves. P. EGU 2009-222 .
10. Бодин В.В. Исследование нелинейных эффектов сейсмического волнового поля, вызванных тектоническим нарушением. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. №4. - С. 93-97.
11. Эшелби Дж. Определение поля упругих напряжений, создаваемых эллипсоидальным включением и задачи, связанные с этой проблемой. // Континуальная теория дислокаций. - М.: Изд-во иностр. литературы, 1963. - 248 c.
12. Панин В.Е., Гриняев В.И. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука. СО РАН, 1990. - 255 с.
13. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург. УрО РАН. 2001. -335 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Бодин Валерий Викторович - старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: v-bodin@mail.ru
UDC 6252.83.550.3
INFLUENCE OF LOCAL AND INTENSEZONESOF TECTONIC FAULTS ON SPATIL DISTRIBUTION OF SPECTRUM OF SEISMIC WAVES
Bodin V.V., Senior Researcher, The Institute of Mining, e-mail: v-bodin@mail.ru
Spatial distribution of ranges of the seismic waves extending in local and intense zones of tectonic faults is considered. It is shown that nature of distribution of high-frequency harmonicas of seismic waves is similar to distribution of tension in a vicinity of tectonic faults.
As one of the objects of the research examines the rocks cent array, including Kpyrona-giving a tectonic disturbance, power deformed zones Ko-which is 3 meters. To determine the nature of the impact of elastic in-homogeneities on the spatial distribution of the spec-trawling characteristics cencMHvecKo-th wave field was performed spectral analysis of seismic data obtained at different distances ED from the base of observations. On the basis of the analysis of the spectra of seismic waves propagating in locally stressed zones, SFOR MMpo-BaHHbix HH3K0M0nynbHbiMH not-onHoponHocTHMM, you can make you waters that, firstly, the nature of the spatial distribution ynbTparapMoHMK seismic stake-6aHMM close to the character of the distribution of stresses, formed of the surroundings of tectonic disturbances shown in [6]. Secondly, gradient frequency ult-parapMoHHK reflects the change in the pre-stressed state of the genus in the vicinity of tectonic disturbances.
Key words: geodynamic phenomena, faults, seismic exploration, seismic waves, rock mass.
REFERENCES
1. Eremenko A.A., Kurlenya M.V. Razrabotka zhelezorudnykh mestorozhdenii v zonakh povyshennoi seis-micheskoi aktivnosti (Iron ore mining in the areas of increased seismic activity). Fiziko-tekhnicheskie problemy raz-rabotki poleznykh iskopaeykh. 1990. no. 2. p.3.
2. Lovchikov A.V., Gumenkov V.P. O roli estestvennykh i tekhnogennykh faktorov v realizatsii gorno-tektonicheskikh udarov na rudnikakh. Dinamika i napryazhennoe sostoyanie nedr Zemli. Trudy mezhdunarodnoi konferentsii. (Natural and induced influence on rockbursting in mines. Geodynamics and stress state of the Earth's interior. International conference proceedings). Novosibirsk, SO RAN, 2001. pp. 243-250.
3. Egorov P.V., Red'kin V.A. Monitoring gornykh udarov pri razrabotke rudnykh zalezhei s blochnoi struk-turoi. Mezhdunarodnaya konferentsiya «Geodinamika i napryazhennoe sostoyanie nedr Zemli». (Monitoring of rock-burst in mining of block-structured ore bodies. Geodynamics and Stress State of the Earth's Interior. International Conference Proceedings). Novosibirsk, 2-4 oktyabrya 2001. pp. 309-314.
4. AitmatovI.T., Yalymov N.G., Kozhugulov K.Ch., Rogozhnikov O.V., Yalymov R.N. Formirovanie polya napryazhenii v raione aktivnykh razlomov Tyan'-Shanya. Mezhdunarodnaya konferentsiya «Geodina-mika i napryazhennoe sostoyanie nedr Zemli». (Formation of stress field in the area of active faults of the Tian Shan). Novosibirsk, 4-7 oktyabrya 1999. pp. 289-294.
5. Shabarov A.N. O formirovanii geodinamicheskikh zon, opasnykh po gornym udaram. (Formation of rockburst-hazardous geodynamic zones). FTPRPI, 2001, no. 2, pp. 16-27.
6. Vylekzhanin V.N., Egorov P.V., Murashov V.I. Strukturnye modeli gornogo massiva v mekha-nizme ge-omekhanicheskikh protsessov. (Structural models of rock mass in the mechanism of geomechanical processes). Novosibirsk. Nauka. Sib. otd-nie. RAN 1990. 205 p.
7. Rebetskii Yu.L. Tektonicheskie napryazheniya i prochnost' gornykh massivov. (Tectonic stresses and strength of rock masses). Moscow. Izd. Nauka. 2007. 406 p.
8. Aksenov A.A., Potekhin R.P., Lomakin V.S. , Shabarov A.N. Metodicheskie rekomendatsii i nakazy po povysheniyu bezopasnosti vedeniya gornykh rabot v udaroopasnykh usloviyakh u tektonicheskikh narushenii na shakhtakh SUBRa (Recommended practice and orders on safe mining in rockburst-hazardous conditions near tectonic faults in the North Urals Bauxite Mine). Severoural'sk, 1994. 82 p.
9. Bodin V.V. Unlinear wave processes in the vicinity of tectonic heterogeneities by weak seismic waves. P. EGU 2009-222 .
10. Bodin V.V. Issledovanie nelineinykh effektov seismicheskogo volnovogo polya, vyzvannykh tektonicheskim narusheniem. Informatsionno-analiticheskii byulleten (Analysis of nonlinear effects induced in the seismic wave field by a tectonic fault. Mining Information and Analysis Bulletin). Moscow. 2006. no. 4. pp. 93-97.
11. Eshelbi Dzh. Opredelenie polya uprugikh napryazhenii, sozdavaemykh ellipsoidal'nym vklyuche-niem i zadachi, svyazannye s etoi problemoi. Kontinual'naya teoriya dislokatsii (Assessment of elastic stress field generated by an ellipsoidal inclusion and the related problems. Continuum theory of dislocations). Moscow, Izd-vo inostr. literatury, 1963. 248 c.
12. Panin V.E., Grinyaev V.I. Strukturnye urovni plasticheskoi deformatsii i razrusheniya (Structural levels of plastic deformation and failure). Novosibirsk, Nauka. SO RAN 1990. 255 p.
13. Zubkov A.V. Geomekhanika i geotekhnologiya. Ekaterinburg (Geomechanics and geotechnology). UrO RAN. 2001. 335 p.
