Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат геолого-минералогических наук Левина, Елена Алексеевна

• Левина, Елена Алексеевна
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Левина, Елена Алексеевна

Введение

Глава 1 Современное состояние проблемы прогноза землетрясений.

Глава 2 Специализированная геоинформационная система Prediction" для изучения сейсмического режима.

Глава 3 Изучение процессов пространственно-временной миграции землетрясений в БРЗ, сопредельных районах Центральной Азии и

Тихоокеанском сейсмическом поясе.

Глава 4 Применение ГИС для среднесрочного прогноза землетрясений в БРЗ.

Глава 5 Использование ГИС «Prediction» для прогноза горных ударов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении»

В диссертационной работе " Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении" изложены результаты исследований автора, выполненных в 1995-2010 гг. и посвященных разработке программного обеспечения и математическому анализу в задачах изучения сейсмического процесса, прогноза и миграции землетрясений на территории Байкальской рифтовой зоны. Эти результаты нашли применение также в исследованиях, по снижению риска горных ударов в'глубоких горных выработках на примере Норильского месторождения полиметаллов.

Актуальность исследований

Борьба человечества с последствиями сильных и катастрофических землетрясений ведется на протяжении всей его истории, и до» настоящего времени- успехи на этом поприще достаточно скромные. Это объясняется сложностью и труднодоступностью для изучения глубинных явлений деформирования» верхней оболочки Земли, в которой протекает сейсмический процесс.

Одним из способов борьбы с последствиями землетрясений является прогноз: долгосрочный, среднесрочный, и краткосрочный. Однако последний вид прогноза -краткосрочный, несмотря на усилия нескольких поколений исследователей, остается пока недостижимой целью, высказываются даже сомнения в его принципиальной возможности. Сложившаяся« ситуация серьезно осложняется отсутствием хорошо разработанной теории сейсмотектонической деструкции больших-объемов горных масс. Но в области разработки* методов средне- и долгосрочного прогноза землетрясений уже достигнуты определенные результаты (Соболев, 1993, 2004; Ружич, 1997; Пономарев, 2003; Завьялов, 2004; и др.). Методы решения задач такого вида прогноза при всем их разнообразии основываются, как правило, на компьютерной обработке больших массивов данных, прежде всего сейсмологических, в виде каталогов современных и исторических сейсмических событий. Значительное улучшение в изучении сейсмического процесса в пределах Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) и смежных с нею территорий для целей среднесрочного и долгосрочного видов прогноза землетрясений может быть достигнуто при совершенствовании алгоритмов обработки и анализа накопленной базы данных и создании моделей подготовки землетрясений.

При современной урбанизации и уровне развития производства общество остро нуждается в постоянном оперативном слежении за вариациями сейсмичности в том или ином регионе для того, чтобы можно было принять превентивные меры для снижения сейсмического риска. Отсюда следует необходимость совершенствования методов решения задач долго- и среднесрочного прогноза опасных землетрясений. Байкальская рифтовая зона является одним из сейсмоопасных районов нашей страны, и возможные землетрясения в ней способны нанести значительный ущерб территориям с высокой 5 плотностью населения и экологически опасными производственными сооружениями.

Цель и задачи исследований

Целью работы является создание специализированной геоинформационной системы (ГИС) для изучения пространственно-временных характеристик сейсмического режима и оперативного получения его параметров, пригодных для среднесрочного прогноза землетрясений и решения других, связанных с ним задач.

При подготовке работы автором решались следующие задачи:

- проектирование и создание базы сейсмологических и геологических данных;

- создание пакета программ для обработки и статистического анализа данных;

- изучение с помощью разработанной ГИС закономерностей миграции землетрясений в БРЗ и смежных регионах Юго-Восточной Азии;

- применение ГИС для получения средне- и долгосрочного прогноза землетрясений в пределах территории БРЗ;

- адаптация и использование методики прогноза землетрясений при анализе режимов горных ударов в глубоких подземных выработках на примере Норильского полиметаллического месторождения;

Методы исследований и' фактический материал

Для получения параметров сейсмического процесса, используемых для среднесрочного прогноза землетрясений, применялся метод распознавания образов. В разработанной ГИС используются разнообразные критерии прогноза землетрясений, в том числе и оригинальные. При изучении миграции эпицентральных полей землетрясений Байкальская рифтовая зона рассматривалась как длительно развивающаяся дизъюнктивная метасистема в Центрально-Азиатском сегменте Евразийской плиты. Учитывая тот факт, что Байкальский рифт является элементом планетарной тектонической системы, разработанная методика анализа сейсмических режимов и миграции землетрясений может использоваться для любого региона и для всей Земли в целом.

В качестве фактического материала использовался каталог землетрясений Байкальского филиала Геофизической службы СО РАН, а также каталог землетрясений по всему миру, полученный через Интернет (Advanced National Seismic System).

Защищаемые положения

1. ГИС «Prediction» на основе комплексирования программных модулей, разработанных на специализированных алгоритмах, оперативно оценивает набор и значимость критериев для прогнозирования в заданных интервалах времени параметров* места и энергии очагов землетрясений с М>4.5 применительно к геодинамическим условиям Байкальской рифтовой зоны.

2. Оценка скорости и направления „миграции локализованных областей сейсмической активности в пределах Байкальской рифтовой ¡зоны и сопредельных районов возможна на основе оптимального сочетания кластерного и регрессионного анализов, что обеспечивает выяснение механизмов сейсмомиграции и выявление критерия для прогноза места и времени проявления сейсмической активизации.

3. ГИС "Prediction" в предложенном варианте является универсальным инструментом для? решения, задач по прогнозированию и контролю как опасных природных сейсмических явлений в региональном масштабе, так и опасных сейсмогеодинамических событий, инициированных в горных выработках при подземной разработке полезных ископаемых.

Научная новизна работы и личный вклад автора;

В рамках решения; поставленных задач автором спроектирована и разработана специализированная ГИС: предложены математические методы, разработаны алгоритмы и компьютерные программы. Автор с 1994 года принимал активное участие в создании и совершенствовании пакета компьютерных программ для. обработки сейсмологических данных, их математического анализа и- интерпретации с целью более углубленного понимания,природы сейсмотектонических явлений. Полученные результаты послужили основой для разработки более совершенных методов средне- и долгосрочного прогноза землетрясений в Байкальской рифтовой зоне. Весь большой объем расчетов выполнен автором при разработке методов статистического анализа каталога сейсмических явлений в подземных горных выработках Норильского месторождения, что позволило с новых позиций подойти к прогнозу горных ударов и содействовало выработке новой стратегии снижения инженерно-сейсмического риска горно-разведочных работ.

Теоретическая и практическая ценность работы

Выполненные многолетние исследования автора привели к созданию оригинальной ГИС "Prediction", включающей модули для прогноза землетрясений, их миграции и прогноза горных ударов. Это послужило основой для более совершенного анализа сейсмотектонических процессов, протекающих в земной коре в пределах Байкальской рифтовой зоны и за ее пределами.

Выявление новых и малоизученных особенностей сейсмического режима в БРЗ, в частности, миграции землетрясений, способствовало расширению и углублению представлений о природе и механизмах подготовки очагов прибайкальских землетрясений, а также разработке сейсмогеологического подхода к средне- и долгосрочному прогнозу землетрясений, результаты которого используются органами МЧС и администрации Иркутской области.

Для анализа горных ударов применение ГИС "Prediction" позволило предложить и обосновать более совершенный подход к снижению сейсмического риска в глубоких подземных выработках. Эти результаты используются при разработке мер по снижению инженерно-сейсмического риска в районе Норильского месторождения.

По теме диссертации опубликовано 22 работы в журналах ( в том числе 3 — в рецензируемых), трудах совещаний и сборниках.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Левина, Елена Алексеевна

Выводы. Использование ГИС «Prediction» позволяет проводить мониторинг сейсмической обстановки и осуществлять как среднесрочный (месяцы), так и долгосрочный (годы/десятилетия) прогноз землетрясений для любого района при наличии необходимой сейсмологической информации. На сегодняшний день достоверность такого прогноза, проверенная на примере БРЗ, составляет около 70%. Применение ГИС-технологий позволяет совершенствовать методы прогноза землетрясений и повышать их оперативность.

Глава 5; Использование ГИС «Prediction» для прогноза горных ударов

Как известно, целью прогнозирования горных ударов является предсказание их количества, энергии и мест возникновения в ближайшие часы, сутки, , недели или месяцы. Принято считать, что подобные прогнозы способны играть важную роль в оценке необходимости« применения мер: по снижению опасности .и ущерба в процессе горнопроходческой« деятельности. и повышению эффективности применяемых предупредительных мер. По мере неуклонного нарастания техногенного воздействия человека на геотектонические процессы в горнопромышленных районах значительно увеличивается и риск опасных инициированных геодинамических явлений, в частности^ горных ударов, возникающих в высоконапряженной геологической среде: Поэтому- возрастает и вероятность гибели персонала и больших экономических; потерь вплоть до: остановки или закрытия производств. Уже сейчас влияние человеческой деятельности приобрело масштабы экологической; угрозы, II для того, чтобы замедлить или остановить этот процесс, необходим поиск путей оптимального решения возникшей трудности. , ,

Тектоническое землетрясение, как спровоцированный' горно-тектонический: удар: есть следствие динамического высвобождения части; хранящейся в земной коре потенциальной упругой энергии, излучаемой;в виде волновых колебаний- при; быстром-смещении^ блоков горных пород по разрывным нарушениям. Очевидно, что; землетрясения тектонической природы инициируются естественными причинами, тогда как горно-тектонические удары возникают в результате человеческой деятельности, то есть провоцирующих .техногенных воздействий на высоконапряженный породный массив. Есть немало примеров, когда мощными подземными ядерными взрывами были спровоцированы сильные разрушительные землетрясения с М~5.0-6.5, а. химическими взрывами, созданием водохранилищ,. проходкой глубоких горных выработок - мощные горно-тектони ческие удары с М=2.0-5.0. При ядерных взрывах в зонах разломов, удаленных на сотни метров — первые километры» инициировались смещения с: амплитудами: до 1-4 м. При горных ударах амплитуды смещений? измеряются-первыми.десятками сантиметров; а интенсивность сейсмических сотрясений достигает значений 6-7 баллов по шкале М8К-64, что наносит большой экономический ущерб, может привести к гибели людей и даже к экологической катастрофе. ,

Главное, сходство между тектоническими землетрясениями и горными- ударами заключается в общности физических механизмов проявления сейсмических актов, что

100 также было подтверждено проведенным анализом при изучении условий возникновения горных ударов в Норильском шахтном поле, причины инициации горных ударов в большинстве своем связаны с проходкой горных выработок, перемещением больших объемов горных пород, взрывами, обводнением и другими технологическими мероприятиями. Именно выемка значительных объемов пород в наибольшей степени-ослабляет несущую способность массива и приводит к перераспределениям напряжений. Такая инициация наиболее вероятна и особенно неблагоприятна, если выработки проводятся в пределах или * вблизи крупных тектонических разломов, способных генерировать опасные сейсмические толчки (Ружич, Востриков, Левина, 2008; Ружич, Левина, Востриков, 2009; Ружич, Вос-триков, Левина, 2010; и др.). На'основе установленного сходства механизмов подготовки очагов землетрясений и горных ударов была предпринята попытка использовать для прогноза последних разработанную нами методику, которая описана в главе 4 и уже доказала свою полезность при прогнозе землетрясений. Вместе с этим углубленное изучение1 механизмов подготовки очагов горных ударов, расположенных на глубинах в первые километры, представляет значительный интерес и для получения прямых свидетельств о физике очагов» тектонических землетрясений с геологических позиций.

Предпринятое изучение режимов подготовки горных ударов,в ГИС «Prediction» потребовало значительной ее доработки, а именно модифицировать программный пакет для использования в новой области. Например, изменения формы каталога сейсмических событий низких значений энергетических классов; прямоугольной^ системы координат (в отличие от географических) и построения вертикальных разрезов (панелей), для трехмерного изображения объектов шахтного поля. Базовой основой разработки данного программного модуля был каталог горных ударов в Норильских рудниках Талнахско-Октябрьского месторождения!полиметаллов. Ниже представлены примеры проведенного анализа.

На рисунке 5-1 показано распределение зарегистрированных сейсмической станцией "Норильск" эпицентров горных ударов, зарегистрированных за период 1994-2007г., подавляющая часть которых располагается в районах проведения горнопроходческих работ, инициирующих эти события.

-341.0

-578.0

-815:0 о апЛОЗГ] о эо^ЗЗрА °°

-1052.0 о о О О и«* °

26274.0 26311.0 26348.0 26385.0 26422.0

Рис. 5-2. Вертикальное расположение гипоцентров горных ударов в районе концентрации напряжений в предохранительном целике ВЗС-ВСС рудника Октябрьский, где 21.08.2005 г. произошло событие, определяемое нами как главный горный удар. Крупным кружком со штрихами показано местоположение его гипоцентра. Справа размещены еще три гипоцентра других сильных толчков, возникших позднее.

На следующем рис. 5-3, приведен график высвобождения энергии горных ударов за 13 лет в пределах техногенного поля напряжений Норильского рудника.

Энершя. Норильске ш ирота31500.00-33500.00; до л гота:25000.00-28200.00)

Классы: 1-7. Период времени: 01.01.1994-19.11.2007 23:59:59. Интервал: 30.000 дней

Рис. 5-3. График выделения энергии горных ударов в Норильском руднике за 30-дневные интервалы. Обращает внимание рост выделения сейсмической энергии по

На данном рисунке видно, что перед событием имело место понижение сейсмической активности в течение 45 дней, что рассматривается как фактор тревоги. После события проявились умеренная афтершоковая активность и следующая за ней фаза затишья, когда на протяжении 1.5 месяцев в районе очага не фиксировались толчки с энергией более 100 Дж. Это свидетельствует о значительной релаксации горных пород в очаговой области, протяженность которой достигала около 110 м. Рассмотренная динамика очага обнаруживает сходство с режимами развития очагов тектонических землетрясений, что свидетельствует о том, что данное сейсмическое событие имеет горнотектонический механизм подготовки очага и соответствующей релаксации напряжений после него. Важно отметить, что инициация этого события является примером инициации при проходке горной выработки в опасном, т.е. высоконапряженном участке пластовой залежи в пределах породного массива. В приведенном примере обнаруживается сходство механизмов подготовки горного удара в августе 2005 года и землетрясений, фиксируемых, в частности, в Байкальской рифтовой зоне. Признаки снижения численности сейсмических событий и их энергетического уровня в виде затишья являются одним из важных критериев подготовки более сильного сейсмического события и для тектонических, и для наведенных, т.е. техногенных землетрясений, что следует учитывать при мониторинге сейсмического режима рудника.

Анализируя глубинное местоположение очага вышеупомянутого горного удара для выяснения причин его возникновения, целесообразно детально изучить особенности режима проходки подземной выработки, структурно-геологическое строение породного массива в данном месте и ряд других факторов, чтобы выяснить механизм и причины возникновения столь заметного события. При этом можно было бы, осуществляя мониторинг сейсмического режима в разных участках шахтного поля и оперативно анализируя его изменения! с применением ГИС «Prediction», заблаговременно, то есть за недели-сутки выявить потенциально опасный участок. Далее, исходя из сложившихся горнотехнических условий, скорректировать технологический режим проходки для минимизации ожидаемого ущерба или его предотвращения путем проведения мероприятий по разгрузке высоконапряженного массива горных пород. Отсюда понятно, что прогноз горных ударов не имеет большого смысла для борьбы с их последствиями, если не контролировать техногенные условия проходки горных выработок. Поэтому акцент в разработке мер по снижению инженерно-сейсмического риска следует изменить, то есть перенести не на прогноз горных ударов, а на их своевременное предотвращение или ослабление грамотными техногенными воздействиями, чему может способствовать использование ГИС «Prediction».

На основании проведенной обработки данных из каталога горных ударов и их анализа можно сделать следующие выводы.

1. Главная причина недостаточности успехов в прогнозе горных ударов заключается в том, что традиционный подход к нему основывается лишь на мониторинге сейсмического режима в разрабатываемом массиве горных пород и статистическом анализе каталога. При этом численными расчетами практически не учитываются такие факторы нарушения напряженно-деформированного состояния, как энергия и режимы таких инициирующих техногенных воздействий на породный массив как огромные объемы перемещенных масс горных пород, размеров горных выработок, их геометрии пространственного расположения по отношению к областям избыточной концентрации естественных тектонических напряжений, например, зон разломов.

2. Применение ГИС «Prediction», адаптированной для.изучения сейсмического режима Норильского рудника, позволяет не только анализировать его вариации, изучать I источники сейсмической активизации и причины их возникновения, решая задачи прогноза горных ударов. С его помощью можно выявлять места подготовки очагов горных ударов и контролировать в оперативном режиме их развитие за несколько дней или недель до реализации. Отсюда появляется возможность корректировать горнопроходческие мероприятия в, потенциально опасном месте для снижения риска вероятной реализации динамических явлений. Заметим, что разработанный модуль в рамках научного сотрудничества передан для применения в Институт горного дела СО РАН для разработки мер по обеспечению сейсмобезопасности работы в условиях Норильского месторождения.

3. Обоснована необходимость разработки более эффективных физических моделей подготовки геодинамических природных процессов при разработке полезных ископаемых. В виду того, что экспоненциально растет интенсивность человеческой деятельности в областях освоения подземных ресурсов на все больших глубинах, растет и инженерно-сейсмический риск. Для того, чтобы замедлить и снизить увеличение инженерно-сейсмического риска необходим поиск путей более оптимального решения возникшей проблемы по прогнозу горных ударов и разработке мер по их предотвращению, чему может способствовать применение и дальнейшее совершенствование рассмотренной ГИС "Prediction".

Заключение

Разработана геоинформационная система "Prediction", ориентированная на применение специалистами в области сейсмологии и сейсмогеологии, физики очага землетрясения, которые занимаются проблемами изучения сейсмических режимов, вопросами обоснования сейсмической опасности конкретных районов и средне-долгосрочного вероятностного прогноза землетрясений. Использование ГИС "Prediction" позволяет уже в настоящее время осуществлять на удовлетворительном уровне среднесрочный прогноз и своевременно получать данные о проявлении признаков подготовки землетрясений энергетического уровня М>4'.5.

Практической реализацией такого прогноза являются сводки, передаваемые в центр мониторинга и прогнозирования ГУ ГОЧС Иркутской области к началу каждого квартала. Кроме того на более протяженный временной интервал 19992050 гг. составлена «Карта потенциальных землетрясений», где указано местоположение ожидаемых очагов землетрясений с магнитудой 6.0 — 7.5. Оценка реализации среднесрочного прогноза по результатам уже прошедшего с момента составления карты десятилетия, показывает, что его эффективность составляет около 70%.

На основании адаптации ГИС "Prediction" разработан новый подход для выявления признаков подготовки* сильных горных ударов. При. этом удалось выявить решающую роль техногенных воздействий в виде взрывов, вибраций и горнопроходческих работ на режим подготовки очередных инициируемых горных ударов. Обоснованы рекомендации по улучшению их прогноза за счет привлечения сведений о масштабах и энергиях воздействий на геоструктурные элементы разрабатываемых породных массивов. Показано, что без этих сведений осуществлять среднесрочный прогноз горных ударов с приемлемой точностью невозможно.

С помощью ГИС выявлены некоторые закономерности миграции сейсмической активности в БРЗ и ряде других районов Азии. Изучение режимов миграции землетрясений в БРЗ позволяет уже сейчас использовать его результаты для улучшения среднесрочного прогноза места и времени возникновения будущих землетрясений в Прибайкалье.

Реализованный в ГИС "Prediction" метод изучения сейсмомиграционных процессов на разных масштабных уровнях помогает раскрывать новые возможности мониторинга не только сейсмичности, но и деформационных процессов в литосфере

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Левина, Елена Алексеевна, 2011 год

1. Барабанов В.Л., Гриневский А. О., Киссин И.Г., Милькис М.Р. Проявление деформационных волн в гидрогеологическом и сейсмическом режимах зоны Передового Копетдагского разлома // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. №5. С. 21-32.

2. Викулин A.B. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: КОМСП ГС РАН-КГПУ, 2003. 151 с.

3. Викулин A.B. Физика волнового сейсмического процесса // Природа. 1992. №7. С. 11-19.

4. Вилъкович Е.В., Губерман Ш.А., Кейлис-Борок В.И. Волны тектонических деформаций на крупных разломах // Докл. АН СССР. 1974. Т. 219. № 1. С. 77-80.

5. Вилъкович Е.В., Шнирман Н.Г. Волны миграции эпицентров (примеры и модели) // Математические модели строения Земли и прогноза землетрясений. М.: Наука, 1983. С. 27-37.

6. Гольдин C.B., Дядъков П.Г., Дашевский Ю.А. Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне // Геология и геофизика. -2001. -42. № 10"-С. 1484-1496.

7. Добрецов H.JI., Ружич В.В., Псахъе С Г, Черных Е Н., Шшъко Е.В., Левина Е.А. О совершенствовании способов прогноза землетрясений средствами физического моделирования в ледовом покрове Байкала // Физическая мезомеханика. 2011. (В печати)

8. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.:ИФЗ РАН, 1991.217 с.

9. Журков С.Н., Куксенко В С., Петров В.А. и др. К вопросу о прогнозировании разрушения горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977. - № 6. - С. 11-18.

10. Завьялов А Д. Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексуt ч признаков: основы, методика, реализация. Автореф. дисс. на соиск. уч.степ, доктора физ.-мат. наук. Mi: 2003. 55 с.

11. Завьялов А.Д., Славина Л.Б., Васильев В.Ю., Мячкин В.В. Методтка расчета карт ожидаемых землетрясений по комплексу прогностических признаков. М.: ОИФЗ РАН, 1995. - С. 1-40.

12. Ключевский A.B. Корреляция скорости потока землетрясений в литосфере Байкальской рифтовой зоны // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса. От океана к континенту. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2007. Т.1. С. 102-104.

13. Леей К.Г., Задонина Н.В., Бердникова Н.Е. и др. Современная геодинамика и гелиодинамика. 500-летняя хронология аномальных явлений в Сибири и Монголии. Книга 2. Иркутск: ИрГТУ, 2003. 383 с.

14. Леей КГ. Периодичность природных явлений в Прибайкалье и сейсмичность // Современная геодинамика и сейсмичность Байкальского рифта. Иркутск, 1997. С. 171-188.

15. Левина Е.А , Ружич В. В. Миграция землетрясений как проявление волновых деформаций твердой оболочки Земли // Триггерные эффекты в геосистемах: материалы Всероссийского семинара-совещания. М.: ГЕОС, 2010. С. 71-78.

16. Левина Е.А., Руэюич В.В. Разномасштабная миграция землетрясений как проявление инициированного энергопотока при волновых деформациях литосферы Земли // Триггерные эффекты в геосистемах. Тез. докл. семинара-совещания. М.: ИДГ РАН, 2010. С. 53-54.

17. Лобацкая P.M. Структурная зональность разломов. М.: Недра, 1987. 128 с.

18. Логачев H.A. Об историческом ядре Байкальской рифтовой зоны // Докл. АН РАН. 2001. Т. 376. № 4. С. 510-513.

19. Логачев H.A., Борняков С.А., Шерман С.И. О механизме формирования Байкальской рифтовой зоны по результатам физического моделирования // Доклады РАН. 2000. Т. 373. № 3. С. 388-390.

20. Любушин A.A., Писаренко В. Ф., Ружич В.В., Буддо В.Ю. Выделение периодичностей в сейсмическом режиме // Вулканология и сейсмология. 1998. № 1. С. 62-76.32,33,34,35,3637,38,39