MIKROGRAWIMETRYCZNA OCENA STANU ZAGROŻENIA POWIERZCHNI TERENU SPOWODOWANEGO PRZEZ SZYBIKI W OPUSZCZONYM ZŁOŻU GALMANU NA GÓRNYM ŚLĄSKU

Transkrypt

1 ROZDZIAŁ MIKROGRAWIMETRYCZNA OCENA STANU ZAGROŻENIA POWIERZCHNI TERENU SPOWODOWANEGO PRZEZ SZYBIKI W OPUSZCZONYM ZŁOŻU GALMANU NA GÓRNYM ŚLĄSKU Microgravimetric assessment of possible surface hazard created by the fore-shafts in abandoned calamine deposit in the Upper Silesia Janusz MADEJ, Sławomir PORZUCEK Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Al. A. Mickiewicza 30, Kraków Streszczenie Stosowanie metody grawimetrycznej jest możliwe wtedy, gdy poszukiwane obiekty geologiczne, posiadają inną gęstość objętościową niż ośrodek skalny, w którym się znajdują. Zasadę tę można wykorzystać również do poszukiwania form antropogenicznych, jakimi są stare, podziemne wyrobiska górnicze, albowiem są to pustki lub rozluźnienia. W artykule przedstawiono przykłady wykorzystania metody mikrograwimetrycznej do lokalizacji starych szybików porudnych, określenia stopnia ich podsadzenia oraz do oceny stanu górotworu w ich otoczeniu. Badania mikrograwimetryczne prowadzono na Górnym Śląsku w okolicy Bytomia na obszarze eksploatacji złoża galmanu, która odbywała się w tym rejonie w pierwszej połowie XIX wieku. Złoże zalegało na głębokości od 20 do 30 m, a jego miąższość wynosiła około 2 m. Rudy galmanu wybierano systemem wieloszybikowym, a głębokość szybików wynosiła zazwyczaj od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. Z archiwalnych map górniczych wyznaczono przybliżoną lokalizację szybików. Metodykę pomiarową dobrano tak, by określić położenia szybika, a jednocześnie prześledzić jego otoczenia pod kątem rozluźnień, przy minimalizacji ilości punktów. Badania mikrograwimetryczne wykonano grawimetrem Autograv CG-3 produkcji kanadyjskiej o dokładności pomiarów 0,01 mgal i powtarzalności 0,005 mgal. W artykule przedstawiono rozkłady mikroanomalii siły ciężkości wykonane w rejonie 8 szybików o głębokości od 10 do 30 m. Przedstawione przykłady dobrze dokumentują możliwości metody mikrograwimetrycznej. Dzięki przeprowadzonym badaniom uzyskano poprawną lokalizację szybików oraz określono zakres rozluźnień górotworu wynikający z działalności górniczej w ich bezpośrednim otoczeniu. Dzięki temu można określić aktualny stan zagrożenia powierzchni terenu ze strony samych szybików, jak i eksploatacji rudy oraz zaplanować prace zabezpieczające. Słowa kluczowe: mikrograwimetria, zagrożenie powierzchni terenu, obszar pogórniczy, szybik Abstract Gravity methods are applicable when geologic objects have different bulk density as compared to the rock mass in which they are deposited. This principle can be also extended to prospecting for anthropogenic forms, e.g. old underground workings (voids or loosened zones). Applicability of microgravity methods is presented on the example of old, depleted ore shafts, where backfilling and the state of the rock mass in their environment had to be defined. Gravity surveys were carried Maciej J. Kotarba (red.) Przemiany środowiska naturalnego a rozwój zrównoważony Wydawnictwo TBPŚ GEOSFERA 2008, Kraków, str

2 out in the area of Upper Silesia where calamine exploitation was carried out during the first half of the 19th century. The calamine deposit (2 m thick) was found at depths of 20 m to 30 m. It was exploited using a multi-shaft method and the depth of the shafts usually ranged between a dozen to tens of meters. The site of the shafts was determined from archival mining maps. The measuring method was so selected as to define the position of the shaft and simultaneously trace its environment relative to the loosened zone with the smallest possible number of measuring points. Microgravity measurements were performed with a Canadian Autograv CG-3 having measurement accuracy 0.01 mgal and repeatability mgal. The distribution of gravity force anomalies was surveyed within the area of 8 shafts 10 to 30 m deep. The examples presented here document the applicability of gravity method. Owing to the performed surveys, the shafts were positioned correctly and the range of loosened zone, caused by mining activity in the immediate environment, was well defined. Accordingly, the present state of surface hazard created by the shafts and ore exploitation can be defined and the respective protection measures can be planned. Key words: microgravity, deformation hazards, post-mining area, inactive shaft 1. Wstęp Metoda grawimetryczna wykorzystuje w swojej istocie teorię grawitacji. Ziemia, a w szczególności skorupa ziemska jest ośrodkiem anizotropowym, więc niejednorodny jest również rozkład gęstości. Powoduje to, że przyciąganie ziemskie jest różne w różnych punktach Ziemi. Utwory geologiczne o mniejszej gęstości, czyli mniejszej masie słabiej przyciągają niż te o większej gęstości, czyli większej masie. Zasadę tę można wykorzystać również do lokalizacji form antropogenicznych, jakimi są stare podziemne wyrobiska górnicze (Fajklewicz, 1980, 2007). Ich istnienie obniża przyciąganie ziemskie w danym punkcie w stosunku do punktów otaczających te formy. Zmiana ta jest możliwa do zarejestrowania przez nowoczesne przyrządy pomiarowe (grawimetry), a następnie wyniki pomiarów grawimetrycznych można interpretować wykorzystując odpowiednie algorytmy interpretacyjne metody mikrograwimetrycznej. W niniejszym artykule przedstawiono przykłady wykorzystania metody mikrograwimetrycznej do lokalizacji starych szybików porudnych, określenia stopnia ich podsadzenia oraz do oceny stanu górotworu w ich otoczeniu pod kątem istniejących pustek i rozluźnień. Wybrane przykłady pochodzą z rejonu Górnego Śląska, z obszarów eksploatacji rud galmanu. Podobne prace autorzy prowadzili w okolicach Olkusza (Madej et al., 2002). 2. Warunki geologiczne i górnicze Budowa geologiczna rejonu płytkiej eksploatacji rud galmanu, w okolicy Bytomia na Górnym Śląsku, obejmuje utwory karbońskie, triasowe, neogenu oraz czwartorzędowe. Utwory karbońskie wykształcone zostały w postaci naprzemianległych warstw piaskowców, mułowców i iłowców. Są one nieinteresujące z punktu widzenia prowadzonych badań. 268

3 Utwory triasowe, położone niezgodnie na utworach karbońskich, to przeważnie osady triasu dolnego. Zostały one wykształcone w postaci iłów, iłowców, piasków i żwirów, słabo zwięzłych piaskowców oraz dolomitów, wapieni i margli. Można również znaleźć osady triasu środkowego (wapień muszlowy). Na badanym obszarze występują dolomity kruszconośne, które zawierają złoża rud cynku, ołowiu, żelaza i srebra. Utwory neogenu można stwierdzić tylko sporadycznie i wykształcone są w postaci iłów piaszczystych i marglistych. Utwory czwartorzędowe zalegają praktycznie na całym obszarze występowania szybików. Miąższość tych utworów z reguły nie przekracza kilkudziesięciu centymetrów. Występują one w postaci glin zwałowych i pylastych, piasków i żwirów wodnolodowcowych. Miejscami, w dolinach cieków występują holoceńskie osady rzeczne o miąższości osadów od 1 do 16 m. W wielu miejscach badanego rejonu występują grunty antropogeniczne, których pochodzenie należy wiązać z występowaniem hałd pogórniczych. Miąższość tych gruntów może osiągać nawet 17 m. W rejonach ich występowania można spodziewać się osuwisk oraz nierównomiernego osiadania powierzchni terenu. Badania prowadzono na obszarze eksploatacji złoża galmanu, która odbywała się w tym rejonie w pierwszej połowie XIX wieku. Złoże zalegało na głębokości od 20 do 30 m, a jego miąższość wynosiła około 2 m. Złoże wybierano systemem wieloszybikowym, w związku z czym na obszarze eksploatacji wydrążono liczne szyby zarówno wydobywcze jak i poszukiwawcze. Głębokość szybików wynosiła zazwyczaj od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. W późniejszym czasie w badanym rejonie rozpoczęto eksploatację węgla kamiennego, która trwa do czasów obecnych. Eksploatacja węgla powoduje reaktywację starych wyrobisk porudnych. Uruchamiają się procesy sufozji wgłębnej, które często prowadzą do powstawania pustek i rozluźnień w górotworze, a następnie deformacji powierzchni terenu. Śledzenie procesu sufozji i powstawania rozgęszczeń w górotworze możliwe jest metodą mikrograwimetryczną (Fajklewicz et al., 1991, 1996; Madej et al., 2001c). 3. Metodyka badań mikrograwimetrycznych Badania mikrograwimetryczne wykonano grawimetrem Autograv CG-3 produkcji kanadyjskiej o dokładności pomiarów 0,01 mgal i powtarzalności 0,005 mgal. Celem badań była lokalizacja starych szybików porudnych oraz powiązanych z nimi rozluźnień w górotworze. Powstałe rozluźnienia mogą być równie niebezpieczne dla powierzchni terenu jak i same szybiki. Na Fot. 1 przedstawiono przykładowe, koncentryczne zapadlisko powstałe wskutek obsunięcia się ziemi do szybika. Z archiwalnych map górniczych wyznaczono przybliżoną lokalizację szybików. W związku z tym, że są to małe obiekty o średnicy nieprzekraczającej 1,5 m koniecznym było zastosowanie odpowiedniej metodyki pomiarowej. Badania wykonano w oparciu o siatkę główną o wymiarach 50x50 m, w której punkty pomiarowe rozłożone były równomiernie, co 5 m. Dodatkowo w środku siatki głównej 269

4 wprowadzono dogęszczenie punktów tak, że uzyskano drugą siatkę o wymiarach 17,5x17,5 m, z punktami pomiarowymi co 2,5 m. Tak dobrana lokalizacja punktów pomiarowych pozwalała na określenie położenia szybika, a jednocześnie umożliwiała prześledzenie jego otoczenia pod kątem rozluźnień, przy minimalizacji ilości punktów. Fot. 1. Przykładowy wpływ szybika na powierzchnię terenu (zdjęcie J. Madej) 4. Wyniki badań mikrograwimetrycznych W artykule przedstawiono wyniki badań mikrograwimetrycznych przeprowadzonych w rejonie 8 szybików. Analizę przeprowadzono w oparciu o rozkłady mikroanomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera, w artykule w skrócie nazywaną mikroanomalią siły ciężkości. Rys. 1 przedstawia rozkład mikroanomalii siły ciężkości na obszarze, na którym poszukiwano szybika nr 1 i związanych z nim ewentualnych rozluźnień. Nieregularność siatki pomiarowej, w tym i w pozostałych przykładach, wynika z braku możliwości wykonania pomiaru we wszystkich planowanych punktach z uwagi na uwarunkowania rzeźby terenu, czy też występującej infrastruktury naziemnej i podziemnej. Na rozkładzie wyróżniono obszar anomalny o rozmiarach około 40 x 20 m, który utworzony jest poprzez względnie ujemną mikroanomalię siły ciężkości. Wewnątrz obszaru można dodatkowo wyróżnić koncentryczną mikroanomalię o średnicy ok. 10 m. W centralnej części obszaru badań zaznaczono położenie szybika, które przeniesiono ze starych map górniczych. Otrzymany rozkład siły ciężkości jednoznacznie wskazuje, że właściwe położenie szybika, którego głębokość wynosiła ok. 30 m, należy utożsamiać z centrum koncentrycznej mikroanomalii. Owalna, duża mikroanomalia niewątpliwie powiązana jest z istnieniem szybika, a właściwie z eksploatacją złoża za jego pomocą. Mikroanomalia ta wskazuje na istnienie rozluźnień w górotworze, które mogą stanowić niebezpieczeństwo dla powierzchni terenu. 270

5 Rys. 1. Rozkład anomalii siły ciężkości w rejonie szybika nr 1 Rys. 2. Rozkład anomalii siły ciężkości w rejonie szybika nr 2 271

6 Następny przykład (Rys. 2) przedstawia rozkład mikroanomalii siły ciężkości w rejonie szybika nr 2, którego głębokość wynosiła 10 m. Zmiana siły ciężkości następuje w miarę regularnie od południa ku północy. W centralnej części obszaru badań widoczna jest niewielka, względnie ujemna mikroanomalia, posiadająca koncentryczny kształt o średnicy ok. 10 m. Przeniesiona z map górniczych lokalizacja szybiku nie pokrywa się z obszarem mikroanomalii. Wszystko wskazuje na to, że właściwa lokalizacja szybiku to centrum omawianej mikroanomalii. Niewielkie rozmiary mikroanomalii oraz jej znikoma amplituda wskazują, że pochodzi ona tylko i jedynie od nie w pełni podsadzonego szybika i brak jest znaczących rozluźnień górotworu w jego otoczeniu. W kolejnym obszarze badań trudności terenowe nie pozwoliły na wykonanie pełnej siatki punktów pomiarowych. W obszarze tym lokalizowane są, wg archiwalnych dokumentacji, dwa, blisko siebie leżące, szybiki nr 3 i 4 (Rys. 3) o głębokościach odpowiednio 18 i 17 m. Położenie szybików nie pokrywa się z żadną względnie ujemną mikroanomalią siły ciężkości (Rys. 3). Na rozkładzie mikroanomalii siły ciężkości można wyróżnić dwa obszary anomalne a i b, które można wiązać z powyższymi szybikami. Rys. 3. Rozkład anomalii siły ciężkości w rejonie szybików nr 3 i 4 Obszar anomalny a może być związany z szybikiem nr 3. Niestety brak możliwości wykonania pomiaru we wszystkich punktach spowodował, że niemożliwe jest precyzyjne określenie kształtu mikroanomalii siły ciężkości. Otrzymany zasięg mikroanomalii i jej amplituda wskazują, że mogła ona powstać wskutek istnienia nie w pełni podsadzonego szybika. Niemożność wykonania pełnej siatki pomiarowej (szczególnie w rejonie 272

7 archiwalnej lokalizacji szybika nr 3), powoduje, że nie można wykluczyć, że obszar anomalny a można wiązać z przypowierzchniowymi rozgęszczeniami górotworu. Rejon anomalny b, położony w północno-wschodniej części obszaru badań ma większy zasięg powierzchniowy niż rejon a. Wydaje się, że jego istnienie można wiązać z szybikiem nr 4. Rozległość mikroanomalii wskazuje na istnienie znacznego obszaru o obniżonej gęstości objętościowej, które to obniżenie może być skutkiem prowadzonej w tym miejscu działalności górniczej. Nie można jednoznacznie wskazać lokalizacji szybika nr 4, ale z pewnością nie pokrywa się ona z danymi archiwalnymi i raczej należy go umieścić wewnątrz obszaru anomalnego. Następny rejon badań objął swym zasięgiem trzy szybiki oznaczone numerami 5, 6 i 7 (Rys. 4) o głębokościach odpowiednio 22, 23 i 24 m. Rozkład mikroanomalii siły ciężkości przedstawiony na Rys. 3 różni się od dotychczas omawianych. Nie występują regularne obszary względnie ujemnych mikroanomalii siły ciężkości. W centralnej części rejonu badań widoczne jest duże zróżnicowanie pola siły ciężkości - obszary względnie dodatnich i ujemnych mikroanomalii przeplatają się nawzajem. Świadczy to o częstych zmianach gęstości objętościowej w płytkich partiach górotworu. Zmiany te powstały wskutek prowadzenia eksploatacji w tym rejonie i rozwoju późniejszych zjawisk zachodzących w górotworze. Rys. 4. Rozkład anomalii siły ciężkości w rejonie szybikow nr 5, 6 i 7 273

8 Archiwalne położenia szybików zawierają się wewnątrz obszaru anomalnego. Niemniej jednak rozkład mikroanomalii wskazuje na to, że rzeczywista lokalizacja szybików różni się od archiwalnej, aczkolwiek nieznacznie (Rys. 4). Koncentryczna, względnie ujemna mikroanomalia siły ciężkości w rejonie szybika nr 5 jest niewątpliwie z nim związana. Bazując na wcześniejszych doświadczeniach z rejonu Olkusza (Madej et al., 2001a) przez mikroanomalię poprowadzono profil A-A i w oparciu o uzyskany w nim rozkład siły ciężkości wykonano modelowanie grawimetryczne, którego wynik przedstawiono na Rys. 5. Zgodnie z charakterem mikroanomalii decydujący wpływ na kształt anomalii ma niepodsadzony szybik oraz rozluźnienia górotworu wokół niego. W modelu przyjęto, że średnia gęstość objętościowa niepodsadzonego szybika jest mniejsza od gęstości otoczenia o 1,1 Mg m -3, natomiast rozluźnienia z nim związane o 0,4 Mg m -3 i 0,6 Mg m -3. Rys. 5. Modelowanie grawimetryczne w profilu A-A Niewielkie koncentryczne anomalie w obszarze anomalnym, znajdujące się w bliskiej odległości od szybików nr 6 i 7, których lokalizację uzyskano z danych archiwalnych, niewątpliwie związane są z rzeczywistym położeniem szybików (Rys. 5). Natomiast znaczny rozmiar całego obszaru anomalnego wskazuje, że ogólnie jego pochodzenie należy wiązać z eksploatacją złóż galmanu na głębokości ok. 20 metrów. Skomplikowany dodatnio-ujemny charakter rozkładu siły ciężkości można wytłumaczyć superpozycją efektu grawitacyjnego pochodzącego od rozluźnień górotworu po byłej eksploatacji i wtórnych rozluźnień przypowierzchniowych powiązanych z tą eksploatacją. Nie zawsze stare szybiki stanowią zagrożenie dla powierzchni terenu. Na Rys. 6 przedstawiono rozkład mikroanomalii siły ciężkości w rejonie starego, porudnego szybika nr 8 o głębokości 16 m. Na rozkładzie brak jest jakichkolwiek oznak istnienie szybika, czy 274

9 też związanej z nim działalności górniczej. Istnieją tylko dwa wytłumaczenia zaistniałej sytuacji. Pierwsze to, szybik jest dobrze podsadzony, czy samo podsadzony, a wokół niego nie prowadzono wydobycia rudy. Druga możliwość, to błąd lokalizacji szybika, wynikający z przeniesienia jego położenia z danych archiwalnych. Na pewno popełniono pewien błąd przeniesienia, ale z uwagi na fakt, że w odległości kilkudziesięciu metrów widoczne są pozostałości dwóch innych szybików, które również były zaznaczone na mapach archiwalnych, to błąd lokalizacji mógł wynieść, co najwyżej kilka metrów. Tak więc należy się skłaniać do pierwszej możliwości, a co za tymi idzie do faktu, że w chwili obecnej obszar badań nie jest zagrożony wystąpieniem deformacji powierzchni terenu. Rys. 6. Rozkład anomalii siły ciężkości w rejonie szybika nr 8 5. Podsumowanie Istnienie zinwentaryzowanych i niezinwentaryzowanych szybików porudnych stanowi potencjalne zagrożenie dla stabilności powierzchni terenu, a co za tym idzie stanowi zagrożenie dla infrastruktury, która mogłaby powstać na obszarze ich występowania. Metoda mikrograwimetryczna jest w stanie rozpoznać możliwość powstania takiego zagrożenia, zanim ono nastąpi. Udokładnienie lokalizacji szybików oraz rozpoznanie gęstościowe ośrodka pozwala na przeprowadzenie niezbędnych prac zabezpieczających, czy też, w skrajnym przypadku, odstąpienie od inwestycji (Madej et al., 2001b). 275

10 W artykule podano szereg przykładów dokumentujących możliwości metody mikrograwimetrycznej. Dzięki przeprowadzonym badaniom uzyskano poprawną lokalizację szybików oraz określono zakres rozluźnień górotworu wynikający z działalności górniczej w ich bezpośrednim otoczeniu. Otrzymane wyniki pozwalają określić aktualny stan zagrożenia powierzchni terenu ze strony samych szybików, jak i eksploatacji rudy, oraz zaplanować prace zabezpieczające. Literatura FAJKLEWICZ Z., 1980 Mikrograwimetria. Wydawnictwo Śląsk, Katowice. FAJKLEWICZ Z., 2007 Grawimetria stosowana. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne AGH, Kraków. FAJKLEWICZ Z., BIELECKI S., OSTROWSKI C., PORZUCEK S., RADOMIŃSKI J., 1991 Mikrograwimetryczne badania zagrożenia terenów górniczych zjawiskami dynamicznymi wywołanymi sufozją. Publications of the Institute of Geophysics Polish Academy of Sciences, M-15 (235): FAJKLEWIC Z., JAKIEL K., MADEJ J., PORZUCEK S., 1996 Teoria informacji w grawimetrycznym prognozowaniu wystąpień deformacji nieciągłych powierzchni terenu. Konferencja Naukowo-Techniczna: Informatyka w geodezji górniczej, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH, Zakład Geodezji Górniczej. Kraków, październik 1996, MADEJ J., JAKIEL K., PORZUCEK S., 2001a Grawimetryczna weryfikacja modelu rozluźnień nad wyrobiskiem w warunkach górotworu olkuskiego. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej, Nr 73, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, MADEJ J., JAKIEL K., PORZUCEK S., 2001b Udział mikrograwimetrii w planach zagospodarowania przestrzennego olkuskiego rejonu pogórniczego. Mat. Symp. Warsztaty 2001 Przywracanie wartości użytkowych terenom górniczym, Wieliczka, 29 maj 1 czerwiec, MADEJ J., JAKIEL K., PORZUCEK S., 2001c Microgravimetric assesment of possible surface deformations in some post-mining areas. Mineral Deposits at the Beginning of the 21 st Century, Proceedings of the Joint Sixth Biennial SGA-SEG Meeting, Kraków, August 2001, A.A. Balkema Publishers, MADEJ J., JAKIEL K., PORZUCEK S., 2002 Mikrograwimetryczne badania stopnia podsadzenia starych szybików porudnych w Olkuszu. Publications of the Institute of Geophysics Polish Academy of Sciences, M-27: