Aktywność sejsmiczna w Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A.

Transkrypt

1 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Krystyna STEC*, Marek Waldemar JOŃCZYK** *Główny Instytut Górnictwa, Katowice **Kopalnia Węgla Brunatnego Bełchatów S.A., Rogowiec Aktywność sejsmiczna w Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. Streszczenie Kopalnia Węgla Brunatnego Bełchatów jest jedyną w Polsce, w której występuje aktywność sejsmiczna. W artykule przedstawiono rys historyczny zjawiska sejsmiczności oraz skalę zjawiska. Do opisu i analizy sejsmiczności w KWB Bełchatów wprowadzono podział na dwa okresy czasowe do roku 1992 i po roku Spowodowane jest to faktem, że od roku 1992 możliwa była prawidłowa lokalizacja ognisk wstrząsów po zainstalowaniu cyfrowej aparatury rejestrującej z systemem wspólnego czasu. Wcześniejsze położenia epicentrów były określane w przybliżeniu i obarczone były dużym błędem. Przedstawiono również wyniki analizy mechanizmu ognisk, które potwierdziły hipotezę o związku występujących zjawisk sejsmicznych z naruszeniem stanu naprężenia i deformacji na strukturach tektonicznych na skutek zmian w górotworze spowodowanych prowadzonymi robotami górniczymi. 1. Wprowadzenie Złoże węgla brunatnego Bełchatów odkryte w 1960 roku i udostępnione do eksploatacji pod koniec 1980 roku należy do złóż typu tektonicznego lub inaczej zapadliskowego. Początki tworzenia się rowu tektonicznego łączy się z powstawaniem w epoce kaledońskiej i funkcjonowaniem w następnych epokach tektonicznych progu strukturalnego, który decydował o rozprzestrzenianiu się formacji młodszych (Dadler in. 1980; Siwek 1985), a także z powstawaniem i nakładaniem się na siebie nieciągłości trzech głównych zespołów dyslokacyjnych tj. rozłamu Świętokrzyskiego, lineamentu Poznań-Rzeszów i uskoku Brzeg-Kluczbork-Bełchatów. Ostatecznie uformowanie się rowu oraz powstanie struktur deformacyjnych występujących w obrębie wypełniających go osadów przypadło na epokę alpejską oraz czwartorzęd (Hałuszczak 1994; Ciuk 1980). W rejonie rowu Kleszczowa wyróżnia się kilka generacji uskoków: pierwszą najstarszą generację tworzą uskoki równoleżnikowe wyznaczające zarówno rów Kleszczowa jak i rów wewnętrzny II rzędu. Należą do nich uskoki ograniczające rów tzn: a) uskok brzeżny południowy nachylony ku północy pod zmiennym kątem 35 70, b) uskok północny stanowiący naturalną granice czwartorzędowej rynny erozyjnej. W niektórych częściach rowu te uskoki tworzą strefy uskokowe złożone z kilku równoległych uskoków schodkowo zrzucających podłoże kenozoiczne do środka rowu, drugą generację, młodszą, stanowią uskoki również bardzo wyraźnie zaznaczające się w strukturze rowu. Są to uskoki o kierunku N-S i NE-SW. Do nich należą między innymi uskoki Czyżowa, Kucowa i Folwarku. Tną one strukturę rowu na mniejsze bloki i przesuwają je względem siebie na linii N-S lub NE-SW. 285

2 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. trzecią najmłodszą generacją są uskoki o kierunkach NW-SE. Zaznaczają się one w strukturze rowu znacznie słabiej niż poprzednie. Ich powstanie wiązane jest z tektoniką laramijską lub starszą odnowioną w trzeciorzędzie (Ciuk 1982; Hałuszczak 1994). Do nich zaliczany jest między innymi uskok Widawki. Uskoki poszczególnych generacji mają bardzo zróżnicowaną amplitudę zrzutów, co powoduje, że np.: uskok rowu południowy powoduje wyższe wyniesienie południowej krawędzi rowu w stosunku do krawędzi północnej. Podobnie zróżnicowane zrzuty i kierunki mają powstałe w pozostałych dwóch generacjach uskoki. To zróżnicowanie spowodowało, że w pokrywie utworów permomezozoicznych rowu Kleszczowa utworzony został układ struktur synklinalnych i antyklinalnych o kierunku przebiegu NW-SE. Ta bardzo skomplikowana budowa tektoniczna bezpośrednio wpływa na procesy naprężeniowe występujące w górotworze i ma związek z zachodzącymi w nim zmianami dynamicznymi. Pojawienie się pod koniec lat siedemdziesiątych bardzo wyraźnej i okresami intensywnej sejsmiczności w Kopalni Wegla Brunatnego Bełchatów było dużym zaskoczeniem dla górników jak i dla sejsmologów. Od tego czasu występowały wstrząsy o różnym poziomie energetycznym od drgań o słabej intensywności rejestrowanych tylko przez sejsmometry do silnych wstrząsów, odczuwanych przez ludność na dużym obszarze. W przypadku pierwszych magnituda była mniejsza od 1 (energia sejsmiczna poniżej 10 4 J) a dla najsilniejszych zjawisk magnituda wynosiła od 4,0 do 4,6 (energia sejsmiczna była rzędu J). Te silne zjawiska miały wpływ na elementy środowiska naturalnego oraz stanowiły zagrożenie dla bezpieczeństwa prowadzonych robót górniczych. Dla obiektywnej oceny tych zjawisk opartej na danych pomiarowych, zainstalowana została w 1980 roku w rejonie złoża Bełchatów sieć sejsmologiczna. Uzyskiwane od tego czasu wyniki pozwalają na bieżącą kontrolę aktywności sejsmicznej a analiza wieloletniego zbioru na pewne ich uogólnienie w aspekcie ich genezy i charakteru procesów zachodzących w ogniskach. 2. Charakterystyka sejsmiczności KWB Bełchatów 2.1. Historyczne zjawiska sejsmiczne Po wystąpieniu pierwszych silnych wstrząsów sejsmicznych w rejonie KWB Bełchatów pojawiły się wzmianki prasowe dotyczące historycznych trzęsień ziemi w rejonie rowu Kleszczowa. Artykuł L. Czarneckiego i J. Kuszneruka (1997) pt.: Wstrząsy sejsmiczne w KWB Bełchatów zamieszczony w Miesięczniku WUG nr 6/97 podaje informacje dotyczące trzęsień ziemi odczutych w Piotrkowie Trybunalskim w dniu r. oraz we wsi Mikołajów (35 km na E od kopalni) w dniu r. Nie wspomina się natomiast w tym artykule o miejscu występowania tych wstrząsów. Materiały źródłowe Katalog trzęsień ziemi w Polsce z lat autorstwa J. Pagaczewskiego (1972) podaje, że epicentrum pierwszego wstrząsu, który wystąpił r. o godz znajdowało się na południe od Krakowa (szerokość geogr. = 49,7 ; długość geogr. = 20,0 ; intensywność I = 7,5 ). Wstrząs ten odczuty był w dużym promieniu po Lwów, Wrocław, Głogów oraz Kalisz, a także na Morawach, w Czechach i Słowacji. Rozległy obszar makrosejsmiczny związany był ze stosunkowo znaczną głębokością ogniska. Z przedstawionych danych wynika, że nie należy łączyć tego wstrząsu ze strukturami tektonicznymi rowu Kleszczowa. W przypadku drugiego zjawiska z dnia 20 listopada 1926 roku, prowadzone ostatnio badania w PAN przez dr B. Guterch potwierdziły miejsce wystąpienia tego wstrząsu w okolicach Piotrkowa Trybunalskiego. Pierwszą informację o tym zjawisku podał miesię- 286

3 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie cznik Ziemia nr 11 w 1926 r. w artykule R. D. Fleszarowej pt.: Trzęsienie Ziemi w Piotrkowskim. Ognisko wstrząsu charakteryzowało się następującymi parametrami: szerokość geogr. = 51,2 ; długość geogr. = 19,9 ; intensywność I = 6. Zatem można wnioskować, że obszar rowu Kleszczowa stanowiący młodą strukturę tektoniczną, charakteryzuje się występowaniem nie do końca zrelaksowanych naprężeń tektonicznych, które pod wpływem dodatkowego czynnika zewnętrznego zmieniają stan naprężenia i deformacji i są przyczyną aktualnie występujących zjawisk sejsmicznych Aktywność sejsmiczna KWB Bełchatów do roku 1992 Analiza aktywności sejsmicznej w KWB Bełchatów oparta jest na rejestracjach wstrząsów, prowadzonych przez Stację Sejsmologiczną KWB Bełchatów. W pierwszych latach tej obserwacji stosowano aparaturę fotooptyczną (założoną przez Główny Instytut Górnictwa) oraz później uzupełnioną o system rejestracji analogowej Górnik. Tak skonfigurowana sieć sejsmologiczna nie posiadała skorelowanych czasów identyfikacji drgań na poszczególnych stanowiskach sejsmometrycznych co uniemożliwiało precyzyjną lokalizację ognisk. Na początku lat dziewięćdziesiątych zainstalowano cyfrową aparaturę produkcji Instytutu Geofizyki PAN, która posiada skorelowane czasowanie zapisów sygnałów sejsmicznych z zegara DCF. W ten sposób otrzymywane od tego czasu rejestracje umożliwiały już wykonywanie precyzyjniejszej lokalizacji oraz badanie mechanizmów ognisk wstrząsów. Pierwsze zjawiska sejsmiczne w KWB Bełchatów wystąpiły pod koniec lat siedemdziesiątych. W dniu roku wystąpił pierwszy bardzo silny wstrząs o magnitudzie około 3,6 a następnie roku kolejny wstrząs o magnitudzie 3,5. Jeden z najsilniejszych wstrząsów o magnitudzie 4,6 miał miejsce w dniu roku. Ogólna charakterystykę aktywności sejsmicznej w odniesieniu do najsilniejszych zjawisk do roku 1992 przedstawia tabela 2.1. Tabela 2.1. Wykaz wstrząsów o magnitudzie ML 3 do roku 1992 z rejonu odkrywki Bełchatów Table 2.1. Summary of the tremors from the Bełchatów Brown Coal Strip Mine that have occurred before 1992 Data 287 Magnituda, M L , , , , , , , , ,2 Ogółem wg danych Stacji Sejsmologicznej KWB Bełchatów do roku 1992 zarejestrowano około 1200 wstrząsów, z czego prawie 800 stanowiły bardzo słabe zjawiska o magnitudzie lokalnej mniejszej od 1. Od drugiej połowy lat osiemdziesiątych aktywność sejsmiczna uległa osłabieniu a częstość występowania bardzo silnych wstrząsów górotworu zdecydowanie

4 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. zmalała. Po pierwszym okresie wysokiej aktywności sejsmicznej (do roku 1985) miały miejsce lata charakteryzujące się niskim jej poziomem. Epicentra wymienionych silnych wstrząsów do roku 1985 występowały w rejonie uskoku Widawki, między wkopem a zwałowiskiem zewnętrznym i korelowane były z istniejącym tam uskokiem Aktywność sejsmiczna po roku 1992 Dopiero od roku 1992 możliwa była precyzyjna lokalizacja ognisk wstrząsów po zainstalowaniu cyfrowej aparatury rejestrującej w systemie wspólnego czasu. W tej formie sieć sejsmologiczna pracuje do chwili obecnej. Wykaz wstrząsów górotworu występujących w KWB Bełchatów po roku 1992, dla których określono położenie epicentrum przedstawia tabela 2.2. Tabela 2.2. Zestawienie wstrząsów górotworu występujących w KWB Bełchatów po roku 1992 Table 2.2. Summary of the tremors from the Bełchatów Brown Coal Strip Mine that have occurred after 1992 Data Czas Współrzędne Energia Magnituda Godz. Min. Sek. X, m Y, m J M L ,1E+10 4, ,9E+07 3, ,9E+07 3, ,5E+07 3, ,2E+07 2, ,7E+05 2, ,3E+05 2, ,5E+05 2, ,0E+08 3, ,0E+07 2, ,9E+06 2, ,1E+05 2, ,2E+06 2, ,7E+05 1, ,0E+06 2, ,6E+06 2, ,8E+05 1, ,7E+06 2, ,9E+07 3, ,4E+05 1, ,6E+06 2, ,3E+05 1, ,6E+05 2, ,0E+06 2,58 288

5 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie ,1E+05 1, ,8E+07 2, ,7E+07 3, ,8E+06 2, ,5E+06 2, ,8E+06 2, ,6E+07 2, ,4E+05 2, ,5E+06 2, ,9E+08 3, ,2E+06 2, ,5E+06 2, ,3E+06 2, ,0E+06 2, ,3E+06 2, ,2E+05 2, ,1E+06 2, ,0E+06 2, ,3E+05 2, ,8E+06 2, ,9E+05 2, ,8E+07 3, ,3E+07 2, ,1E+06 2, ,6E+06 2, ,1E+06 2, ,3E+08 3, ,3E+08 3, ,7E+05 1, ,1E+08 3, ,4E+06 2, ,8E+06 2, ,8E+05 1, ,4E+06 2, ,9E+07 3, ,4E+05 2, ,2E+06 2,54 W dniu roku wystąpił kolejny bardzo silny wstrząs o magnitudzie M L = 4,3, który rozpoczął następny etap rozwoju sejsmiczności w kopalni Bełchatów, gdyż jego epicentrum znajdowało się w rejonie, w którym dotychczas nie miały miejsca tak silne 289

6 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. zdarzenia. Wstrząs ten został zlokalizowany w rejonie prowadzenia frontu eksploatacyjnego na wysokości miejscowości Kleszczów. W latach wystąpiły zjawiska, które zlokalizowano w zachodnim skrzydle antykliny Łękińska, w szczególności w rejonie uskoku Folwarku. W roku 1996 Kopalniana Stacja Sejsmologiczna zarejestrowała cztery wstrząsy górotworu. Jeden z nich był kolejnym silnym zjawiskiem (wstrząs z dnia ) i miał magnitudę M L = 3,5. Wstrząs ten zlokalizowano w obrębie środkowej części skarpy II piętra nadkładowego w rejonie uskoku Folwarku, biegnącego z południowego wschodu na północny zachód pod kątem do równoleżnikowo przebiegającego frontu eksploatacyjnego prowadzonego w kierunku zachodnim. W roku 1997 zarejestrowano w KWB Bełchatów 5 wstrząsów sejsmicznych o magnitudzie M L 2, z nich trzy miały magnitudę rzędu 2,4. Epicentra tych wstrząsów zlokalizowano w obszarze nad wychodnią utworów górnej jury w dnie rowu tektonicznego, które tworzą na tym obszarze zachodnie skrzydło antykliny Łękińska ograniczone od zachodu strefą uskokową Folwarku. W 1998 roku miały miejsce kolejne dwa zjawiska (M L= 1,9 i 2,7), z których jedno zlokalizowano w rejonie uskoku Folwarku na zboczu stałym południowym, a drugie w rejonie uskoku brzeżnego, około 1 km na wschód od centrum wysadu solnego Dębiny. Rok 1999 charakteryzował się wystąpieniem 6 wstrząsów. Dla dwóch zjawisk nie uzyskano współrzędnych ogniska ze względu na brak zapisu na stanowiskach bardziej odległych od ogniska wstrząsy te wystąpiły w odległości od 2 2,5 km od stacji Latawiec. Najsilniejszy w 1999 roku (M L = 3,1) wstrząs z dnia zlokalizowany został na strukturze uskoku Folwarku, około 200 m na południe od uskoku południowego brzeżnego, a następne zjawisko z dnia wystąpiło około 2 km na E od centrum wysadu solnego Dębiny, pomiędzy uskokami północnymi brzeżnymi 3 i 2. Pozostałe dwa wstrząsy występujące w dniu oraz zostały odpowiednio zlokalizowane na strukturze uskoku Folwarku, około 250 m na północ od uskoku południowego brzeżnego odmłodzonego 1a oraz na strukturze uskoku Folwarku około 200 m od uskoku północnego brzeżnego 3. W 2000 roku wystąpiło 7 wstrząsów górotworu o magnitudzie od 1,9 do 3,2. Ogniska tych zjawisk lokalizowane były od 300 do 1400 m na za zachód od uskoku Folwarku. Aktywność sejsmiczna w 2001 roku charakteryzowała się podwyższonym poziomem w stosunku do lat ubiegłych. W 2001 roku wystąpiło 16 wstrząsów o magnitudzie od 2,0 do 3,74. W dniu o godz miał miejsce najsilniejszy od 1992 roku wstrząs o magnitudzie 3,74 (energia 8,9E+08 J), którego ognisko zlokalizowano około 1 km za zachód od struktury uskoku Folwarku, pośrodku pomiędzy górną krawędzią poziomu węglowego a górną krawędzią wyrobiska górniczego. Pozostałe wstrząsy wystąpiły w zachodniej części odkrywki Bełchatów. W 2002 roku wystąpiło 9 wstrząsów o magnitudzie od 1,81 do 3,72 a w 2003 roku 7 wstrząsów o magnitudzie od 1,99 do 3,21. Wstrząsy te zostały zlokalizowane również w zachodniej części odkrywki Bełchatów. Analizując lokalizację ognisk wstrząsów występujących w okresie zaobserwowano wyraźną zmianę ich położenia w zależności od przesuwającego się w kierunku zachodnim frontu robót górniczych. Rysunek 2.1 prezentuje położenie ognisk w poszczególnych latach ich występowania. 290

7 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Dębina Latawiec Rogowiec T-4 Łękińsko Piaski strefa u. folwarku WYSAD SOLNY DĘBINA ogniska wstrząsów w poszczególnych latach Rogowiec - stanowisko sejsmometryczne - uskoki uskok widawki skala 1 : Rys Położenie ognisk wstrząsów sejsmicznych w okresie w KWB Bełchatów Fig Distribution of the tremors from the Bełchatów Brown Coal Strip Mine that have occurred in the years

8 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. 3. Mechanizm ognisk wstrząsów 3.1. Dane ogólne W klasycznych modelach ognisk trzęsień ziemi opartych na hipotezie pękania inicjowanego wskutek działania określonego układu sił najczęściej używany jest układ podwójnej pary sił. Układ ten powoduje w ognisku proces ścinający przejawiający się zaistnieniem ruchu przesuwnego mas wzdłuż pewnej płaszczyzny, zwanej płaszczyzną ogniskową. Należy zaznaczyć, że zgodnie z terminologią stosowaną w sejsmologii pod pojęciem mechanizmu ogniska rozumiane jest odtworzenie przestrzennej orientacji wspomnianej płaszczyzny pęknięcia w ognisku oraz sił wywołujących ruch ścinający. Metody rozwiązania tego typu zadania określane są terminem rozwiązanie płaszczyzny ogniska (Gadomska 1982; Gibowicz 1985, 1989). Układ podwójnej pary sił jako inicjatora procesu ścinającego w ognisku wstrząsu wydaje się być szczególnie odpowiednim w przypadku wstrząsów górotworu, indukowanych działalnością górniczą w rejonie uskoków. Odpowiada on bowiem zarówno najczęściej występującemu modelowi niszczenia jaki obserwuje się w laboratoryjnych badaniach próbek skalnych jak i realnych układach naprężeniowo deformacyjnych panujących w górotworze. Określenie mechanizmu ognisk wstrząsów górniczych daje możliwość uzyskania szerszej informacji o procesach fizycznych zachodzących w górotworze w strefie formowania się ognisk wstrząsów. Rozwiązanie zadania przez wykorzystanie jako danych wejściowych głównie znaków pierwszych wychyleń fali podłużnej P jest zagadnieniem rozwiniętym w teoriach sejsmologii globalnej. Po wykonaniu odwzorowania półkuli ogniskowej wydziela się na obrazie rzutu obszary kompresji i dylatacji a następnie oblicza kątowe parametry rozwiązania mechanizmu ogniska wstrząsu. Do najważniejszych parametrów należą: parametry określające przestrzenne położenie płaszczyzn nodalnych (azymut, upad), parametry osi naprężeń głównych P, T (azymut, zanurzenie) oraz kąt poślizgu lub kąt przesunięcia Wyniki analizy mechanizmu ognisk wstrząsów Po raz pierwszy mechanizm ogniska został określony dla wstrząsu z dnia roku na podstawie 28 rejestracji europejskich stacji sejsmologicznych (Gibowicz i in. 1981, 1982). Mechanizm ogniska dla tego wstrząsu był typu uskoku odwróconego z zaznaczającą się składową przesuwczą. Za płaszczyznę rozrywu przyjęto płaszczyznę nodalną, której bieg był zbliżony do kierunku przebiegu strefy linii Teisseyre a-tornquista. Systematyczne badania mechanizmu ognisk wstrząsów oparte na rejestracjach sejsmologicznej sieci KWB Bełchatów prowadzone są od 1994 roku (Stec i inni ). W okresie przeanalizowano 45 wstrząsów, dla których jednoznacznie określono kierunek pierwszego wychylenia fali podłużnej P na poszczególnych stanowiskach sejsmologicznych. Kątowe parametry rozwiązania mechanizmu ogniska wraz z ich graficznym obrazem przedstawia tabela 3.1. Graficzne przedstawienie mechanizmu ogniska jest rzutem stereograficznym dolnej półkuli ogniskowej. Zakreskowany obszar oznacza kompresję, biały dylatację. Dokładność obliczeń ze względu na uwarunkowania obserwacji wynosiła 20. Rozwiązanie mechanizmów ognisk wstrząsów na tle schematycznej mapy tektonicznej przedstawiającej główne struktury tektoniczne tego rejonu prezentuje rysunek

9 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Mechanizmy ognisk wstrząsów w KWB Bełchatów Fig Source mechanism of the tremors from the Bełchatów Brown Coal Strip Mine Data Tabela 3.1. Kątowe parametry rozwiązania mechanizmu ogniska dla wstrząsów z KWB Bełchatów Table 3.1. Source mechanism solution angular parameters for the tremors from the Bełchatów Brown Coal Strip Mine H Czas Płaszczyzny nodalne Osie naprężeń M Kąt poślizgu Pł. 1 Pł. 2 Oś P Oś T P P T T Typ Obraz graficzny NO RE NO RE 293

10 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A RE RE RE RE NO RE NO NO NO RE RE NO 294

11 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie NO RE RE NO NO NO NO RE NO NO NO NO NO RE 295

12 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A NO RE NO RE NO RE NO RE NO RE RE NO NO NO * 1,2 azymut płaszczyzn nodalnych 1 i 2, 1,2 upad płaszczyzn nodalnych 1 i 2, kąt poślizgu dla pł. 1 i 2, P,T azymut osi P i T, P,T zanurzenie osi P,T 296

13 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie W roku 1994 rozwiązanie mechanizmu ognisk uzyskano dla trzech wstrząsów. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia wykazywał typ prawoskrętnego uskoku przesuwczego o zaznaczających się cechach uskoku odwróconego. Po przeprowadzonej korelacji położenia płaszczyzn nodalnych z przebiegiem głównych struktur geologicznych, jako płaszczyznę pękania w ognisku wybrano płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut około 190, upad około 80, która odpowiadała przebiegowi strefy uskokowej Folwarku. Mechanizm ognisk wstrząsów z dnia i określał typ przesunięcia występującego na uskoku normalnym. Jako płaszczyznę pękania wybrano płaszczyzny o upadach około 80. W przypadku tych zjawisk rozwiązanie obarczone jest dużym błędem. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia wskazywał typ przesunięcia występującego na uskoku odwróconym. Jako płaszczyznę pęknięcia przyjęto płaszczyznę nodalną o azymucie 228 i upadzie około 60. Płaszczyzna ta odpowiadała rozciągłości występujących w tym rejonie struktur tektonicznych. Mechanizmy ognisk wstrząsów z dnia i miały charakter odwróconych, prawoskrętnych uskoków przesuwczych. Po przeprowadzonej korelacji położenia płaszczyzn nodalnych z przebiegiem głównych struktur tektonicznych, jako płaszczyznę pęknięcia w ognisku wybrano płaszczyzny nodalne o parametrach: dla wstrząsu z dnia azymut około 297, upad około 50, dla wstrząsu z dnia azymut około 102, upad koło 50. W KWB Bełchatów w 1996 roku wystąpiły trzy zjawiska sejsmiczne, dla których uzyskano rozwiązanie mechanizmu ognisk. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia wskazywał na przesunięcie typu poślizgowego odwróconego. Jako płaszczyznę pęknięcia przyjęto płaszczyznę nodalną o azymucie około 290 i upadzie około 40, która odpowiadała rozciągłości uuskoku Folwarku. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia godz miał charakter również poślizgowy odwrócony. Biorąc pod uwagę lokalizację tego zjawiska jako płaszczyznę rozrywu wybrano płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut około 350, upad około 80. Mechanizm ogniska trzeciego zinterpretowanego wstrząsu z dnia , godz był typu przesunięcia poślizgowego normalnego. Jako płaszczyznę pęknięcia przyjęto płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut około 68, upad około 87. Parametry mechanizmu ognisk obu wstrząsów odpowiadały azymutom i upadom występujących w rejonie epicentrów uskoków. W 1997 roku obliczenia kątowych parametrów mechanizmu ognisk wykonano dla trzech wstrząsów górotworu o magnitudzie M L > od 2,3. Epicentrum wstrząsu górotworu z dnia zlokalizowano w obszarze uskoku Folwarku. Uzyskane rozwiązanie mechanizmu ogniska tego wstrząsu wskazywało na przesunięcie typu poślizgowego odwróconego. Wprawdzie kierunki azymutów płaszczyzn nodalnych odbiegały od kierunku przebiegu struktury geologicznej występującej w rejonie lokalizacji ogniska, ale układ panujących w tym rejonie procesów naprężeniowych odzwierciedlonych w mechanizmie ogniska był zachowany. Mechanizm ogniska tego wstrząsu był typu poślizgowego odwróconego. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia , godz miał charakter poślizgowy normalny. Uwzględniając lokalizację tego zjawiska jako płaszczyznę rozrywu wybrano płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut około 50, upad około 60. Kierunek tej płaszczyzny uwzględniając błąd dokładności rozwiązania skorelowano z przebiegiem uskoku normalnego ograniczającego rów II rzędu. Mechanizm ogniska trzeciego wstrząsu z dnia , godz był typu przesunięcia poślizgowego normalnego. Jako płaszczyznę pęknięcia przyjęto płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut około 105, upad około 75. Parametry te były zbliżone do azymutu i upadu występującego w tym rejonie uskoku brzeżnego północnego. W 1998 roku wykonano obliczenia kątowych parametrów mechanizmu ognisk dla dwóch wstrząsów. Epicentrum wstrząsu górotworu z dnia zlokalizowano w rejonie uskoku 297

14 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. południowego brzeżnego około 1 km od wysadu solnego Dębiny. Mechanizm ogniska tego wstrząsu górotworu był typu przesunięcia poślizgowego normalnego ale z dużym udziałem przesuwczego ruchu w ognisku i mógł on wystąpić na dwóch równorzędnych płaszczyznach nodalnych. Parametry jednej z płaszczyzn nodalnych (azymut około 30, upad około 80 ) były zbliżone do azymutu i upadu występującego w tym rejonie uskoku brzeżnego południowego. Drugi wstrząs z dnia charakteryzował się mechanizmem ogniska typu poślizgowego odwróconego z dużym udziałem poziomego ruchu w ognisku. Kierunek azymutu płaszczyzny nodalnej o parametrach 344 i upadzie 79 przyjęto, w granicach błędu obliczeń, za zbliżony do kierunku rozciągłości uskoku Folwarku. W roku 1999 obliczenia kątowych parametrów mechanizmu ognisk wykonano dla dwóch najsilniejszych wstrząsów. Wstrząs sejsmiczny, który wystąpił w dniu zlokalizowany został w obszarze uskoku Folwarku, około 200 m na południe od uskoku południowego brzeżnego. Uzyskane rozwiązanie mechanizmu ogniska tego wstrząsu wskazywało na przesunięcie typu poślizgowego odwróconego z dużym udziałem poziomego ruchu w ognisku. Kierunek azymutu płaszczyzny nodalnej o parametrach 3 i upadzie 76 odpowiadał, w granicach błędu, rozciągłości uskoku Folwarku. Epicentrum wstrząsu górotworu z dnia zlokalizowano również na uskoku Folwarku, około 250 m na północ od uskoku południowego brzeżnego odmłodzonego. Mechanizm ogniska tego wstrząsu górotworu był typu przesunięcia poślizgowego normalnego również z dużym udziałem przesuwczego ruchu w ognisku, który mógł wystąpić na dwóch równorzędnych płaszczyznach nodalnych. Ze względu na duży błąd obliczeń spowodowany niewystarczającą ilością danych nie wyznaczono przypuszczalnej płaszczyzny nodalnej, na której mogło wystąpić pęknięcie górotworu. Obliczenia kątowych parametrów mechanizmu ognisk wykonano dla trzech najsilniejszych wstrząsów górotworu występujących w 2000 roku. Ognisko wstrząsu sejsmicznego, który wystąpił w dniu zlokalizowane zostało na uskoku Folwarku, około 50 m na południe od uskoku południowego brzeżnego odmłodzonego 1a. Uzyskane rozwiązanie mechanizmu ogniska tego wstrząsu wskazywało na przesunięcie typu poślizgowego normalnego. Płaszczyznę nodalną o azymucie 289, zapadającą na północ pod kątem 62, w granicach błędu przyjęto za zbliżoną do rozciągłości i kierunku zapadania uskoku południowego brzeżnego. Typ mechanizmu ogniska poślizgowy normalny odpowiadał charakterowi tego uskoku. Epicentrum wstrząsu górotworu z dnia znajdowało się około 100 m na północny wschód od uskoku Folwarku. Uzyskane rozwiązanie mechanizmu ogniska wskazywało na przesunięcie typu poślizgowego odwróconego. Wybrano płaszczyznę nodalną o azymucie 307 i upadzie 79. Wstrząs górotworu, który wystąpił roku zlokalizowano w rejonie uskoku północnego brzeżnego 2. Mechanizm ogniska tego wstrząsu górotworu był typu przesunięcia poślizgowego odwróconego ale z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku. Biorąc pod uwagę kierunek zapadania tej struktury (na południe) płaszczyznę nodalną o azymucie 107 i upadzie 52 wybrano jako przypuszczalną płaszczyznę pękania w ognisku. W 2001 roku wystąpiło 16 wstrząsów sejsmicznych. Dla 10 najsilniejszych zjawisk obliczono mechanizm ognisk. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia był typu poślizgowego normalnego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku. Wybrana płaszczyzna nodalna o parametrach: azymut 347, upad 63 odpowiadała rozciągłości uskoku o kierunku N-S. Wstrząs z dnia wykazywał mechanizm poślizgowy normalny. Wybrana płaszczyzna nodalna dla tego wstrząsu o parametrach: azymut 289, upad 62 odpowiadała uskokowi południowemu brzeżnemu 1a zapadającemu na północ. Kolejny wstrząs, który wystąpił w dniu charakteryzujący się mechanizmem poślizgowym normalnym, zlokalizowany został na uskoku północnym brzeżnym 2. Jako płaszczyznę rozrywu dla tego wstrząsu wybrano 298

15 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie płaszczyznę nodalną o rozciąglości E-W (azymut 101, upad 88 ), która pokrywała się z rozciągłością tego uskoku 2. W dniu o godz wystąpił wstrząs o magnitudzie 3,5 (energia 7,9E + 08 J) będący jednym z najsilniejszych wstrząsów w tym rejonie. Zjawisko to zlokalizowano w rejonie uskoku północnego brzeżnego 2. Mechanizm ogniska typu poślizgowego normalnego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku oraz wybrana płaszczyzna nodalna (azymut 102, upad 89 ) o przebiegu E-W odpowiadały temu uskokowi. Wstrząs który wystąpił w dniu o godz zlokalizowany na uskoku połnocnym brzeżnym 1, charakteryzował się mechanizmem ogniska typu poślizgowego normalnego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku. Jako płaszczyznę rozrywu wybrano płaszczyznę o parametrach: azymut 67, upad 23 odpowiadającą rozciągłości uskoku północnego brzeżnego 1. Kolejny wstrząs występujący o godz zlokalizowano na uskoku Folwarku. Mechanizm ogniska tego wstrząsu był typu poślizgowego odwróconego. Płaszczyzna rozrywu o parametrach: azymut 293, upad 48 w przybliżeniu korelowała się z tą strukturą tektoniczną. Wstrząsy z dnia i charakteryzowały się mechanizmem typu uskoku poślizgowego normalnego. Obydwa wystąpiły w rejonie uskoków o przebiegu W-E. Pierwszy na uskoku północnym brzeżnym a drugi na uskoku południowym brzeżnym. Płaszczyzny nodalne o rozciągłości E-W odpowiadały rozciągłościom tych uskoków. Wybrano następujące parametry kątowe płaszczyzn rozrywu: dla wstrząsu z dnia : azymut 258, upad 71 i dla wstrząsu z dnia : azymut 102, upad 89. Wstrząsy z dnia i zlokalizowane na uskoku Folwarku charakteryzowały się mechanizmem poślizgowym normalnym. Płaszczyzny rozrywu wynoszące odpowiednio: azymut 336, upad 67 dla pierwszego wstrząsu oraz azymut 180, upad 42 dla drugiego przyjęto w granicach błędu, że mają przebieg zbliżony do rozciągłości uskoku Folwarku. Wstrząs z dnia wystąpił na uskoku północnym brzeżnym w rejonie struktury Folwarku. Dla tego wstrząsu jako płaszczyznę pękania wybrano płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut 127, upad 63. W 2002 roku wystąpiło 9 wstrząsów sejsmicznych. Dla 8 zjawisk obliczono mechanizm ognisk. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia był typu poślizgowego odwróconego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku. Wybrana płaszczyzna nodalna o parametrach: azymut 82, upad 71 zbliżona była do rozciągłości uskoku północnego brzeżnego 3. Wstrząs z dnia charakteryzował się mechanizmem poślizgowym normalnym. Wybrana płaszczyzna nodalna dla tego wstrząsu o parametrach: azymut 278, upad 89 odpowiadała uskokowi południowemu brzeżnemu 1. Kolejny wstrząs, który wystąpił w dniu charakteryzujący się mechanizmem poślizgowym odwróconym, zlokalizowany został w rejonie uskoku południowego brzeżnym 1. Jako płaszczyznę rozrywu dla tego wstrząsu wybrano płaszczyznę nodalną o rozciąglości zbliżonej do E-W (azymut 102, upad 35 ), która odpowiadała rozciągłości tego uskoku. Wstrząs występujący zlokalizowano w pobliżu struktury uskokowej o przebiegu NW-SE. Mechanizm ogniska tego wstrząsu był typu poślizgowego normalnego. Płaszczyzna rozrywu o parametrach: azymut 322, upad 43 w przybliżeniu korelowała się z tą strukturą tektoniczną. Wstrząs z dnia charakteryzował się mechanizmem typu uskoku poślizgowego odwróconego. Płaszczyznę nodalną o parametrach azymut 147, upad 23, przyjęto w granicach błędu, że ma przebieg zbliżony do rozciągłości uskoku Folwarku. Następny wstrząs z dnia o energii 7,3 E + 8 J (magnituda 3,72) będący jednym z najsilniejszych wstrząsów w tym rejonie zlokalizowano na granicy uskoku północnego brzeżnego 3 oraz uskoku Folwarku. Mechanizm ogniska dla tego wstrząsu był typu poślizgowego normalnego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku a wybrana płaszczyzna nodalna (azymut 311, upad 62 ) o przebiegu NW-SE odpowiadała uskokowi Folwarku. Również wstrząs z dnia o mechanizmie poślizgowym odwróconym wystąpił w rejonie struktury folwarku. Dla tego 299

16 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. wstrząsu jako płaszczyznę pękania wybrano płaszczyznę nodalną o parametrach: azymut 307, upad 79. Ostatni analizowany w 2002 roku wstrząs z dnia zlokalizowano w rejonie struktur uskokowych o przebiegu NW-SE. Wybrane parametry kątowe płaszczyzny rozrywu: azymut 180, upad 50 odpowiadały rozciągłości tych właśnie struktur. W 2003 roku wystąpiło 7 wstrząsów sejsmicznych, dla których obliczono mechanizm ognisk. Mechanizm ogniska wstrząsu z dnia był typu poślizgowego odwróconego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku. Wybrana płaszczyzna nodalna o parametrach: azymut 353, upad 52 zbliżona była do struktur tektonicznych o przebiegu NW-SE. Wstrząs z dnia charakteryzował się mechanizmem poślizgowym normalnym. Wybrana płaszczyzna nodalna dla tego wstrząsu o parametrach: azymut 314, upad 33 odpowiadała rozciągłości uskoków o kierunku NW-SE. Kolejny wstrząs, który wystąpił w dniu charakteryzujący się mechanizmem poślizgowym odwróconym, zlokalizowany został w rejonie struktur tektonicznych o rozciągłości NW-SE. Jako płaszczyznę rozrywu dla tego wstrząsu wybrano płaszczyznę nodalną o rozciągłości zbliżonej do NW-SE (azymut 143, upad 76 ), która odpowiadała rozciągłości uskoków o tym samym przebiegu. Wstrząs występujący zlokalizowano w pobliżu struktury uskokowej o rozciągłości E-W (strefa uskoku północnego brzeżnego 3). Mechanizm ogniska tego wstrząsu był typu poślizgowego odwróconego. Płaszczyzna rozrywu o parametrach: azymut 113, upad 48 w przybliżeniu korelowała się z przebiegiem tej struktury tektonicznej. Wstrząs z dnia r. o magnitudzie 3,2 (energia 7,9 E + 07 J) był najsilniejszym wstrząsem jaki wystąpił w 2003 roku, charakteryzował się mechanizmem typu uskoku poślizgowego normalnego. Płaszczyznę nodalną o parametrach azymut 335, upad 37, przyjęto jako płaszczyznę rozrywu w ognisku, miała ona przebieg zbliżony do rozciągłości uskoku Folwarku. Następny wstrząs z dnia , zlokalizowany w tym samym rejonie co poprzedni wstrząs, charakteryzował się dokładnie tym samym mechanizmem ogniska. Mechanizm ogniska dla tego wstrząsu był typu poślizgowego normalnego z udziałem przesuwczego ruchu w ognisku a wybrana płaszczyzna nodalna (azymut 335, upad 37 ) o przebiegu NW-SE odpowiadała uskokowi Folwarku. Ostatni analizowany wstrząs z dnia zlokalizowano w rejonie struktur uskokowych o przebiegu E-W najbliżej wysadu solnego Dębina. Wybrane parametry kątowe płaszczyzny rozrywu: azymut 107, upad 75 odpowiadały rozciągłości uskoku północnego brzeżnego 2. Uzyskane wyniki z analizy mechanizmów ognisk wstrząsów górotworu, które wystąpiły w KWB Bełchatów potwierdziły tezę, że przyczyną ich występowania jest naruszenie równowagi naprężeniowo-deformacyjnej na strukturach tektonicznych przez prowadzoną eksploatację górniczą (odwodnienie, zdejmowanie nadkładu i eksploatację węgla). Zdejmowanie nadkładu i usypywanie zwałowiska zewnętrznego i wewnętrznego powodowało odciążanie w jednym miejscu i dociążanie w innym górotworu. Odwodnienie z kolei było przyczyną zmian parametrów fizyko-mechanicznych górotworu a co z tym jest związane, zmian zależności naprężeniowoodkształceniowych w górotworze. Zjawiska te mogły inicjować procesy dynamiczne w strefach uskokowych charakteryzujących się naturalną koncentracją naprężeń. W rejonie lokalizacji ognisk wstrząsów budowa tektoniczna jak przedstawiono we wstępie jest bardzo zróżnicowana. Występują główne struktury tektoniczne o przebiegu NE-SW, które pocięte są licznymi uskokami tworząc budowę blokową. Struktury blokowe zbudowane ze sztywnych skał i naruszone prowadzoną eksploatacją dążą do wyrównania panujących w górotworze naprężeń. Procesy te mogą zachodzić ze względu na plastyczne podłoże, które ulega deformacjom powodując zmiany naprężeń w nadległych mocnych blokach skalnych. Tak więc najważniejszym czynnikiem inicjującym wstrząsy sejsmiczne są prawdopodobnie zmiany lokalnych naprężeń tektonicznych generowane prowadzoną a eksploatacją. 300

17 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4. Podsumowanie W artykule przedstawiono analizę aktywności sejsmicznej w rejonie odkrywki Bełchatów i jej związków z tektoniką obszaru. Biorąc pod uwagę fakt, że sejsmiczność w odkrywce Bełchatów pojawiła się po rozpoczęciu prac górniczych i trwa do chwili obecnej oraz, że lokalizacja zjawisk sejsmicznych wskazywała na ich występowanie w strefach uskokowych wysunięto hipotezę przyczyn występowania sejsmiczności w obszarze odkrywki: Obszar rowu Kleszczowa jest młodą strukturą tektoniczną, która charakteryzuje się występowaniem nie do końca zrelaksowanych naprężeń tektonicznych. Najmłodsze struktury tektoniczne (trzeciorzędowe i czwartorzędowe) mające szczególne predyspozycje do niestabilnego zachowania się, pod wpływem dodatkowego czynnika zewnętrznego zmieniają stan naprężenia i są przyczyną aktualnie występujących zjawisk sejsmicznych. Tak więc można przypuszczać, że podłożem zaistniałej sejsmiczności jest sumowanie naprężeń tektonicznych istniejących w analizowanym obszarze z naprężeniami i zmianami fizyko-mechanicznymi skał wywoływanymi pracami górniczymi. Uzyskane wyniki z analizy mechanizmów ognisk wstrząsów górotworu potwierdziły hipotezę o związku występujących zjawisk sejsmicznych z naruszeniem stanu naprężenia i deformacji na strukturach tektonicznych. Kątowe parametry mechanizmu ognisk (azymuty i upady płaszczyzn rozrywu) odpowiadały przebiegowi struktur tektonicznych co jednoznacznie wskazuje, że aktywność sejsmiczna w KWB Bełchatów związana jest z procesami zmian stabilności tego obszaru pociągającymi za sobą ruchy przesuwcze zachodzące na strukturach tektonicznych. Literatura [1] Ciuk E. 1980: Tektonika Rowu Kleszczowa i jej wpływ na warunki powstawania złoża węgla brunatnego Bełchatów w skali 1: Arch. PG Wrocław. [2] Ciuk E. 1982: Mapa geologiczno-strukturalna podłoża mezozoicznego ze szczególnym uwzględnieniem tektoniki pól górniczych Bełchatów i Kamieńsk złoża węgla brunatnego Bełchatów w skali 1: Arch. PG Wrocław. [3] Czarenecki L., Kuszneruk J. 1997: Wstrząsy sejsmiczne w KWB Bełchatów. Wyd. WUG nr 6, Katowice. [4] Dadler R., Deczkowska Z. i inni 1980: Mapa tektoniczna cechsztyńsko-mezozoicznego kompleksu strukturalnego na Niżu Polskim 1: [5] Gadomska B. 1982: The Mechanism of Earthquakes a reviev of the graphical representation of faultplane solutions, Institute of Seismology, University of Helsinki, Report S-6. [6] Gibowicz S., Głazek J., Wysokiński L. 1981: Zjawiska sejsmiczne w rejonie kopalni węgla brunatnego Bełchatów. Przegląd Geologiczny nr 29, [7] Gibowicz S. J., Guterch B., Lewandowska-Marciniak H. 1982: Seismicity induced by surface mining: the Bełchatów, Poland earthquake of 29 November Acta Geophysica Polonica, Warszawa, [8] Gibowicz S. J. 1985: Mechanizm dużych wstrząsów górniczych w Polsce. Publ. Inst. Geoph. Pol. Ac. Sc., M-6 (176), [9] Gibowicz S. J. 1989: Mechanizm ognisk wstrząsów górniczych, Publ. Inst. Geophys. Pol. Ac. Sc. M-13 (221). [10] Hałuszczak A. 1994: Główne etapy ewolucji strukturalnej utworów kenozoicznych rowu Kleszczowa. Mat. Konf. Nauk. Techn. pt.: Tektonika Rowu Kleszczowa stan badań i główne zadania w aspekcie eksploatacji górniczej. Bełchatów październik. [11] Pagaczewski J. 1972: Katalog trzęsień ziemi w Polsce z lat Mat. Prace Inst. Geofizyki PAN, 1972, No 51. [12] Siwek T. 1985: Próba interpretacji powierzchni strukturalnej stropu karbonu w Polsce Środkowej. Przegląd Geologiczny nr

18 K. STEC, M. W. JOŃCZYK Aktywność sejsmiczna Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. [13] Stec. K. (red) : Ocena wpływów sejsmicznych dla potrzeb ochrony zabudowy powierzchniowej i badanie mechanizmów oraz parametrów źródła dla wstrząsów z rejonu KWB Bełchatów, Główny Instytut Górnictwa, Katowice, (niepublikowane). Seismic activity in the Bełchatów Brown Coal Strip Mine The Bełchatów brown Coal Strip Mine is Poland s only mine of this kind that experiences seismic activity. In this paper, a brief history and a scale of the seismicity phenomenon are presented. The description and the analysis of the seismicity from the Bełchatów Brown Coal Strip Mine comprise two assumed time periods, namely that up to 1992 and that after This is due to the fact that the correct location of mine tremor source has only been feasible after the installation of the common observation time based digital seismic recording system in The mine tremor epicenter locations determined before that date were approximate and, to a greater degree, erroneous. Also, the results of the mine tremor source mechanism analysis are presented, which confirm the theory regarding the relationship of the seismic events to the stress strain relation perturbation on tectonic structures due to mining induced changes in equilibrium of the rock masses. Przekazano: 25 marca 2004 r. 302