Mikrograwimetria i geofizyka otworowa w badaniach zagrożeń powierzchni terenów pogórniczych.

Transkrypt

1 badania mikrograwimetryczne, zagrożenia na terenach pogórniczych, dynamika rozluźnień ośrodka skalnego Monika ŁÓJ, Janusz MADEJ, Sławomir PORZUCEK Akademia Górniczo Hutnicza, WGGiOŚ, Zakład Geofizyki Mikrograwimetria i geofizyka otworowa w badaniach zagrożeń powierzchni terenów pogórniczych. STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono wykorzystanie badań geofizycznych do identyfikacji stref niejednorodnych, różnego pochodzenia, stanowiących zagrożenie dla powierzchni terenu. Prace podjęto celem opracowania metodyki badań mikrograwimetrycznych, przy wykorzystaniu wyników otrzymanych z metod geofizyki otworowej. Pomierzony rozkład mikroanomalii siły ciężkości zinterpretowano stosując modelowanie grawimetryczne, w którym wykorzystane rezultaty geofizyki otworowej uściśliły rozwiązanie. Podstawowym celem pracy było wypracowanie metodyki badań geofizycznych, pozwalających na identyfikację stref niejednorodnych powstałych w górotworze w wyniku działalności górniczej człowieka. Wyniki tych badań mogą być przydatne przy określaniu wpływu zmian parametrów fizycznych ośrodka skalnego na jego wytrzymałość mechaniczną. Zmiany te są główną przyczyną postępujących ku powierzchni terenu stref niejednorodnych, decydujących o powstawaniu jej zagrożeń poprzez wystąpienia deformacji ciągłych lub nieciągłych. W zakres pracy weszły badania mikrograwimetryczne celem wykrycia form niejednorodnych, które stanowić mogą potencjalne zagrożenie dla stabilności powierzchni terenu. Metodami geofizyki wiertniczej natomiast wyznaczano parametry fizyczne skał, w otworach lokalizowanych na podstawie wstępnej analizy wyników pomiarów mikrograwimetrycznych. Zastosowany w otworach kompleks metod geofizyki wiertniczej, pozwolił między innymi na określenie parametrów fizycznych przewiercanych skał. U podstaw grawimetrii leży zjawisko grawitacji ujęte w prawo powszechnego ciążenia. Przedmiotem zainteresowania grawimetrii jest siła ciężkości, a podstawową rolę w badaniach grawimetrycznych spełniają pomiary względne siły ciężkości. Zmiany wartości tej siły wiążą się z obecnością niejednorodności w rozkładzie mas ośrodka skalnego. Powierzchniowe odwzorowanie tego rozkładu oddają anomalie siły ciężkości. Ich wielkość jest funkcją różnicy gęstości pomiędzy poszczególnymi rodzajami skał budujących formy geologiczne lub antropogeniczne a ich otoczeniem, głębokości położenia i rozmiarów tych form. Rozkład ten stanowi podstawę do jakościowo-ilościowej interpretacji, w wyniku której określa się związek pomierzonego rozkładu pola siły ciężkości z budową geologiczną i rozmieszczeniem form antropogenicznych. Istnienie niejednorodności, zwłaszcza tych, których przyczyna wynika ze skutków

2 działalności człowieka sprzyja uruchomieniu procesów, które powodują obniżenie gęstości objętościowej określonych partii górotworu. To obniżenie gęstości w stosunku do otoczenia uwidacznia się w postaci względnie ujemnych wartości siły ciężkości. Wykrycie tą metodą obiektu charakteryzującego się obniżoną gęstością w stosunku do otoczenia, może nastąpić również na podstawie rejestracji wpływu grawitacyjnego skutków jego istnienia w postaci zmian zachodzących w przypowierzchniowej partii badanego górotworu. (Fajklewicz i in. 1986,1994,1996, Madej i in. 2000,2001) Zmiany te, manifestujące się powstawaniem odkształconych partii górotworu, naruszają jego stabilność, prowadząc do odmiennego stanu równowagi. Dążenie naruszonego masywu skalnego do stanu innego niż pierwotny indukuje procesy fizyczne przejawiające się dynamicznym naruszeniem struktury górotworu. W zależności od budowy geologicznej ośrodka skalnego naruszenie to przejawiać się może w postaci deformacji jego powierzchni: ciągłych poprzez obniżenie terenu lub nieciągłych takich jak zapadliska. W wielu przypadkach śledzenia struktur geologicznych, form antropogenicznych, a zwłaszcza skutków istnienia tych ostatnich, obserwuje się mikroanomalie siły ciężkości od nich, o amplitudach, których wartości są tylko kilka razy większe od błędu pomiarowego. Z tego względu do rozwiązywania tego typu zagadnień stosuje się metodę mikrograwimetryczną (Fajklewicz 1980). Prace geofizyczne uzupełniono badaniami mikrokamerą CCTV. Mikrokamera otworowa CCTV, skonstruowana w firmie MAK, to zestaw pomiarowy składający się z sondy otworowej oraz technicznego zestawu powierzchniowego do obserwacji i zapisu obrazu z wnętrza otworu wiertniczego (Krzeszowiec i in. 1999, 2001). Sonda otworowa wyposażona jest w dwie czarno-białe miniaturowe kamery obserwacyjne: pionową i poziomą. Oświetlenie badanych obiektów jest realizowane diodami w zakresie podczerwieni i silną lampą halogenową (Jarzyna i in. 2002). W wykonywanych badaniach sonda opuszczana jest do otworu za pomocą systemu żerdzi wyskalowanych z dokładnością ±0,01 m. Możliwe jest również określenie przybliżonego kierunku bezwzględnego obserwacji mikrokamerą boczną. Zapis obserwacji widocznej na monitorze odbywa się na magnetowidzie z rejestracją ścieżki dźwiękowej. Dla przedstawienia zdjęć wybranych fragmentów przeprowadzana jest analiza całego zapisu pomiarowego, z rejestracją komputerową czytelnych fragmentów obrazów i wybieraniu pojedynczych klatek. Wybrane zdjęcia są przetwarzane i filtrowane przy użyciu komputera PC i specjalistycznego oprogramowania. Obróbka komputerowa i interpretacja oparta jest również na wiedzy o geologii skał, spękaniach, informacji o starych zrobach górniczych, systemach eksploatacji, osiadaniu terenu itp. Przy użyciu tego rodzaju sondy można obserwować w otworze profil litologiczny, spękania, zawodnienie i inne nietypowe zjawiska. Rejestrowane zniekształcenie rzeczywistego obrazu wynika z faktu obserwacji w otworze i geometrii układu obserwacyjnego. Rzeczywiste wielkości obserwowanych obiektów ocenia się przez ich porównanie ze znanymi parametrami wiercenia i przyrządów. (Krzeszowiec 2001) Pomiary geofizyczne w otworach wykonywano kompleksowym zestawem pomiarowym do profilowań geofizyki wiertniczej w płytkich otworach, skonstruowanym w Zakładzie Geofizyki AGH (Pałka i in. 1994). W skład tego zestawu wchodzi m. in. szereg sond radiometrycznych pod wspólną nazwą SO -5-90, z którego do omawianych pomiarów wykorzystano spektrometryczną sondę gamma-gamma (sgg), sondę spektrometryczną naturalnej promieniotwórczości gamma (spg) oraz małośrednicową, niespektrometryczną

3 sondę gamma-gamma (GG). Profilowanie średnicy wykonywano małośrednicowym kawernomierzem trójramiennym. Sondy wykorzystano do określenia: - gęstości objętościowej skał w warunkach naturalnych - podstawowego parametru badań mikrograwimetrycznych, - promieniotwórczości naturalnej wyrażonej we względnych jednostkach umownych wykorzystanych do lepszej identyfikacji typu litologicznego poszczególnych warstw - indeksu absorpcji fotoelektrycznej Pe - wielkość jednoznacznie powiązana z liczbą atomową (średnią lub ekwiwalentną) badanego ośrodka parametr pomocniczy wykorzystywany do lepszej identyfikacji typu litologicznego poszczególnych warstw, - średnicy otworu wiertniczego ważny parametr wspomagający interpretację pomiarów gęstościowych i informujący o stanie technicznym otworu. Pomiary mikrograwimetryczne wykonano nowoczesnym grawimetrem CG-3, produkcji kanadyjskiej firmy Scintrex. Przyrząd tej klasy zapewnia uzyskanie najwyższej (w stosunku do innych typów grawimetrów) dokładności pomiarów. W obliczeniach mikroanomalii wprowadzono poprawki siły ciężkości topograficzną eliminującą składową pionową grawitacyjnego przyciągania mas skalnych, położonych w otoczeniu punktu pomiarowego; poprawkę wolnopowietrzną eliminującą wpływ wysokości punktu pomiarowego nad poziom odniesienia; poprawkę Bouguera eliminującą wpływ składowej pionowej oddziaływania płyty płasko-równoległej położonej pomiędzy fizyczną powierzchnią ziemi, a poziomem odniesienia oraz uwzględniono pionową składową siły przyciągania obiektów zarówno naziemnych i podziemnych wprowadzając poprawkę urbanistyczną siły ciężkości (Fajklewicz 1980). Uzyskane rozkłady mikroanomalii siły ciężkości stanowiły podstawowy materiał źródłowy do wnioskowania na temat budowy geologicznej badanego rejonu, a w szczególności do przeprowadzenia jego interpretacji pod kątem wykrycia stref niejednorodnych. Obszar badań położony był w Bytomiu, gdzie w przeszłości prowadzono płytką eksploatację rud cynku i ołowiu na głębokości ok. 70 m p.p.t. Największą powierzchnię zajmuje komora znajdująca się w centralnej części obszaru badań. Główną podsadzką stosowaną do wypełniania pustych zrobów była podsadzka sucha, a w niewielkiej części (głównie w chodnikach) podsadzka hydrauliczna lub hydrauliczna z cementacją. W chwili obecnej północno zachodnia część obszaru pomiarowego objęta została eksploatacją węglową prowadzoną na głębokości ok. 270 m p.p.t. (rys.1). Jest to teren z niewielką ilością budynków, na których widać już skutki działalności górniczej w postaci pęknięć i zarysowań elewacji. Przeprowadzone obserwacje mikrograwimetryczne pozwoliły na wyznaczenie wartości mikroanomalii siły ciężkości. Całkowita amplituda zmian pola siły ciężkości w obrębie zdjęcia wynosi 0,21 mgal. Najniższe wartości obserwowane są w centralnej części pola, a najwyższe przy zachodniej granicy. Główna strefa anomalna rozciąga się w kierunku południkowym przez centralną część pola pomiarowego. Jej zasięg powierzchniowy rozszerza się w kierunku południowym, świadcząc o tym, że źródło ją wywołujące nie jest jednorodne na całym obszarze. W części południowej ciało anomalne na większą rozciągłość na kierunku wschód zachód niż w części północnej (rys.1). Taka zmienność świadczy o różnym zaawansowaniu procesów rozluźnienia się warstw górotworu nad pozostałościami po eksploatacji rudnej.

4 Wyróżniająca się w centralnej części zdjęcia mikroanomalia o największej wartości względnej jest zgodna z lokalizacją dużej komory porudnej wypełnionej podsadzką suchą, znajdującej się na głębokości ok. 70 m p.p.t (rys.1.). Rys.1 Rozkład mikroanomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera

5 Rozmiar i amplituda obserwowanej mikroanomalii siły ciężkości pozwała sadzić, iż nastąpiło uaktywnienie starych zrobów porudnych, a powstałe w wyniku tego rozluźnienie, ekspandując w górę osiągnęło poziom bliski powierzchni terenu. Ważnym wydaje się więc zbadanie głębokości, na jaką dotarło powstałe rozluźnienie. Przed przystąpieniem do modelowania grawimetrycznego, mającego na celu określenie parametrów fizycznych źródła obserwowanej mikroanomalii, przeprowadzono analityczne przedłużanie w dół mikroanomalii w profilu AA. Jego zastosowanie prowadzi do określenia położenia tzw. punktów osobliwych utożsamianych z lokalizacją źródła pola grawitacyjnego. Punktem osobliwym, w tym przypadku, jest środek masy ciała zaburzającego. Według zastosowanej metody punkt ten znajduje się na głębokości ok. 15 m p.p.t. Wykorzystując wynik przedłużania analitycznego stworzono wstępny model grawimetryczny, który następnie został poddany modyfikacjom, tak aby obliczony od niego efekt grawitacyjny był zgodny, w granicach dokładności metody z rozkładem pomierzonym siły ciężkości. Według tak stworzonego modelu stwierdzić można, że strop ciała zaburzającego znajduje się na głębokości 7 m p.p.t, a jego miąższość wynosi ok. 27 m. W celu wypełnienia ubytków masy w ośrodku skalnym wykonane zostały otwory wiertnicze. Zanim zostały one wykorzystane do zatłaczania podsadzki wykonano w nich badań metodami geofizyki wiertniczej i kamerą CCTV. Dla celów badawczych postanowiono odwiercić trzy otwory. Ich lokalizacja została wyznaczona na podstawie analizy rozkładu siły ciężkości w strefie największych, zaznaczających się względnie ujemnych mikroanomalii (rys.1). Przeprowadzono w nich badania mikrokamerą CCTV. Na otrzymanych obrazach obserwowane były zmiany ośrodka skalnego w postaci rozluźnień i szczelin. Wykonane w otworach badania metodami geofizyki wiertniczej pozwoliły na wyznaczenie gęstości interwałowych poszczególnych stref budujących ośrodek skalny oraz umożliwiły interpretację litologiczną. Interpretację litologiczną w otworze B3 wykonano w interwale od 1,2 m do 13,5 m, a gęstości interwałowe (uśrednione) określono już od powierzchni terenu. Do głębokości 2,5 m można zidentyfikować niejednorodne nasypy, poniżej których pojawiają się gliny, gliny z piaskiem i piaski. Do 4,0 m przeważają gliny, potem dominują gliny z piaskiem o gęstości średniej 2,20 g/cm 3. Na głębokości 10,3 m do 11,4 m zaznacza się warstwa o obniżonej gęstości (1,69 g/cm 3 ). Poniżej gęstość znowu rośnie, ale do wartości średniej 1,89 g/cm 3 - rys.2. W otworze B4 warstwę o obniżonej gęstości stwierdzono w interwale głębokości od 6,4 m do 6,9 m. Jej gęstość określona została na 1,55 g/cm 3. Natomiast w przypadku otworu B5 strefa o niewielkim obniżeniu gęstości zaczyna się na głębokości ok. 10 m; jej spąg nie został nawiercony. Uzyskane z badań geofizyki otworowej dane gęstościwe i głębokościowe uściśliły analizowany model grawimetryczny. Określone parametry fizyczne ciała zaburzającego, wywołującego mikroanomalię, można więc uważać za rzeczywiste. Upoważnia to do stwierdzenia, że strefa rozluźnień postępująca ku powierzchni terenu w wyniku reaktywacji starych zrobów porudnych, osiągnęła głębokość ok. 10 m p.p.t., jej miąższość wynosi ok. 15 m.

6 Rys.2 Rozkład gęstości interwałowej w otworze B3 uzyskany metodami geofizyki otworowej Wyznaczony model strefy rozluźnień posiada w stropie szerokość ok. 40 m, podczas gdy dolna jego granica rozprzestrzenia się na odcinku nieco ponad 20 m (rys.3). Wymodelowany kształt tej strefy, w postaci odwróconego trapezu, zdeterminowany został przyjęciem takiej gęstości, względem otoczenia, jaka wynikała z rezultatów osiągniętych w otworowych badaniach radiometrycznych. Kształt ten odpowiada jednej z możliwości ekspansji strefy rozluźnień w skały nadległe pod wpływem reaktywacji starych zrobów porudnych w wyniku prowadzonej poniżej nich działalności górniczej w skałach karbońskich. Należy tu podkreślić, iż niezlikwidowane stare zroby porudne mogą ulec ekspansji ku powierzchni terenu powodując jego przekształcenia. Powodem tego procesu może być oddziaływanie eksploatacji węglowej, której poziomy leżą poniżej wcześniej wybranych partii górotworu zawierających rudy cynku i ołowiu. Sytuacja taka, dość często spotykana jest w północnych rejonach GZW. W wyniku przeprowadzonej analizy badań geofizycznych stworzony został model strefy anomalnej, powstałej na skutek przemieszczania się rozluźnień ośrodka skalnego ku powierzchni. W jej obrębie może dojść do przekształceń rzeźby terenu, o ile stwierdzona na głębokości ok. 10 m p.p.t. strefa rozluźnień dosięgnie powierzchni. Przed planowanym zagospodarowaniem tego rejonu należy wykonać kontrolne badanie geofizyczne, w analogicznym zakresie jak obecnie przeprowadzone, celem oceny aktualnego stanu górotworu w nawiązaniu do wyników osiągniętych w tej pracy.

7 Rys.3 Modelowanie grawimetryczne w profilu AA Praca wykonana w ramach programu badawczego dla Ministerstwa Środowiska finansowana przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej

8 LITERATURA Fajklewicz Z., 1980: Mikrograwimetria górnicza. Wyd. Śląsk Katowice, 1980, 264. Fajklewicz Z., 1986: Origin of the anomailes of gravity and its vertical gradient over cavoties in brittle rock. Geophysical Prospecting, 34, Fajklewicz Z., Radomiński J., 1994: Prognozowanie grawimetryczne możliwości wystąpień deformacji nieciągłych powierzchni teren,u w wyniku ekspansji pustek i wyrobisk górniczych. Mat. Konf. Ekologia w górnictwie, a geofizyka, Ustroń-Zawodzie, Fajklewicz Z., Radomiński J., 1996: Nowe możliwości grawimetrycznego odwzorowania stanu naruszenia górotworu ekspansją pustek poeksploatacyjnych, Archive of Mining sciences, 41, Jarzyna J., Zorski T., Bała M., Krzeszowiec M., 2002: Otworowe metody geofizyczne w badaniach stanu górotworu w obszarach eksploatacji górniczej. Publs. Inst. Geophys., Pol. Acad. SC., M-27(352) Badnia geofizyczne środowiska geologicznego. Warszawa. s Krzeszowiec M. 2001: Badania mikrokamerą jako uzupełnienie geofizyki inżynierskiej przykłady zastosowań. Konferencja: Geofizyka w inżynierii i ochronie środowiska dla potrzeb samorządności lokalnej. Państwowy Instytut Geologiczny, AGH. Dębe, marzec Krzeszowiec M., 2001: The fracture observations in the Carboniferous period stones, on the area of shallow collieries in the Upper Silesian Basin. 28 Sympozjum geofizyki górniczej, Uniwersytet Śląski. Krzeszowiec M., Polak P., 1999: Badanie spękań górotworu kamerą otworową w rejonach płytkiej eksploatacji węgla kamiennego. Mat. Symp. Warsztaty 99, CPPGSMiE PAN, Jaworze k. Bielska- Białej, maj, 1999, str Madej J., Jakiel K., Porzucek S., 2000: Doświadczenia z badań grawimetrycznych nad zagrożeniem powierzchni w różnych warunkach geologiczno-górniczych. Mat. Symp. Warsztaty 2000 Zagrożenia naturalne w górnictwie, Ustroń Śl maj 2000, Ustroń Śl., wyd. PAN IGSMiE, Kraków, Madej J., Jakiel K., Porzucek S., 2001: Microgravimetric assessment of possible surface deformations in some post-mining area. The Joint 6 th Biennial SGA-SEG Meeting; Mineral Deposits at the Beginning of the 21 st Century, Sweets and Zeitlinger Publishers, Balkema, Lisse, Abingdon, Exton, Tokyo, Madej J., Jakiel K., Porzucek S., 2001: Udział mikrograwimetrii w planach zagospodarowania przestrzennego olkuskiego rejonu pogórniczego. Mat. Symp. Warsztaty 2001 nt Zagrożenia naturalne w górnictwie, Wieliczka, 29 maj 1 czerwiec 2001, wyd. PAN IGSMiE, Kraków, Pałka K., Zorski T., 1994: Zestaw sond radiometrycznych do badania płytkich otworów wiertniczych. Kwartalnik AGH, Geologia, t.20, z. 2 Microgravity and bore-hole geophysic for reaearch post mining surface dangerous. This paper presents geophysical survey for post- mining dangerous zone identification. Geophysical research was used for rock mass physical parameters changes describe. Rock mass endurance can be decreased by those changes and the surface deformation can come into being. Microgravity measurement make possible those dangerous zone location, and with bore-hole geophysics give reply about size those zone.