Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 1, стр. 85-90

Особенность произошедшего 17 августа 1999 г. на Ловозёрском редкометальном руднике “Умбозеро” сильнейшего горно-тектонического удара заключается в том, что возникшие разрушения горных выработок были настолько значительными, что не позволили продолжить дальнейшую добычу руды [1]. Добыча была прекращена, рудник пришлось закрыть. При этом следует отметить, что в первые 6 лет эксплуатации рудника “Умбозеро” никакой сейсмичности в его массиве не возникало. Более того, Ловозёрское месторождение отрабатывается также рудником “Карносурт” с 1951 г. и вплоть до 90-х годов ни одного сейсмического события там не регистрировалось. Ловозёрский массив, как и само месторождение, в течение 40 лет в сейсмическом отношении выглядел асейсмичной зоной [2].

Интерес к причинам возникновения подобных событий существует уже более 20 лет, но как правило, в качестве причины рассматривается изменение “равновесия” в среде, связанное с интенсивной разработкой месторождений без учета локального геолого-тектонического строения региона и связи приповерхностных структур с глубинными. Вместе с тем для исследуемого в работе Ловозёрского массива показаны существенная тектоническая неоднородность и высокий уровень тектонических напряжений в приповерхностных блочных структурах. Так, в работе [3] на основе комплекса геолого-геофизических данных продемонстрировано, что Ловозёрскому массиву соответствует аномалия скорости и плотности, имеющая коническую форму, а ее нижняя резкая граница соответствует глубинам 7–9 км. В другой работе на основе метода функций приемника [4] получены новые данные об особенностях скоростного строения земной коры и верхней мантии Центрально Кольского блока и, в частности, о строении Ловозёрской и Хибинской интрузий. В этих массивах также выявлена скоростная аномалия на глубинах 7–11 км и показано, в целом, сложное строение Ловозёрской интрузии с существенным утолщением земной коры под этим массивом. Кроме того, многолетние исследования сейсмичности Кольского полуострова, проводимые Кольским филиалом Единой геофизической службы РАН (ГС РАН), показывают увеличение количества сейсмических событий в районе Хибинского и Ловозёрского массивов. На основании этих результатов можно полагать, что, помимо техногенных воздействий, существенная роль в возникновении и развитии катастрофических техногенно-тектонических событий может принадлежать процессам взаимодействия приповерхностных структур с более глубокими слоями земной коры.

Сейсмичность в Ловозёрском массиве возникла в начале 90-х годов на руднике “Умбозеро”, построенном и начавшем добычу редкометальных руд в 1984 г. В 1991 г., когда над выработанным пространством нижней пластообразной пологопадающей рудной залежи (мощность залежи 2.5 м) стала отрабатываться более мощная верхняя залежь (мощностью 5.0 м), в Ловозерском массиве, на некотором расстоянии от рудника произошли сразу 3 горно-тектонических удара, магнитудой М_L = 2.2–2.6, разрушивших один из очистных блоков рудника на нижней залежи на площади 80 тыс. м² [5].

Техногенная сейсмичность в массиве рудника “Умбозеро” в 90-х годах стремительно развивалась в зоне сближенной отработки двух параллельных пологопадающих залежей (расстояние между залежами по вертикали 50–60 м одна от другой), составляя более 10 событий в год с магнитудой М_L > 1. Техногенная сейсмичность в массиве рудника резко уменьшилась в 1993–1994 гг., когда рудник, вследствие экономических трудностей, прекращал добычу руды. Это обстоятельство свидетельствует о явно техногенном характере сейсмичности массива рудника. С возобновлением добычи руды в 1995 г. на двух сближенных залежах на руднике “Умбозеро” сейсмичность в массиве рудника снова стала стремительно возрастать, достигая нескольких десятков сейсмических событий М_L > 1 в год (по данным КРСЦ РАН и сейсмостанции “Ловозеро” ГС РАН). Распределение сильных сейсмических событий (М_L > 1) в массиве рудника “Умбозеро” с 90-х годов до нашего времени представлено на рис. 1.

Наконец, 17.08.1999 г. в руднике “Умбозеро” в зоне сближенной отработки двух залежей произошел мощнейший горно-тектонический удар, вследствие которого горные выработки на нижней отработанной залежи были разрушены на огромной площади 650 тыс. м².

Как показано в работах [1, 6, 7], это было самое мощное сейсмическое событие в шахтах и рудниках России за всю их историю. Это сейсмическое событие следует отнести к категории техногенно-тектонических землетрясений [8], которое произошло в результате выделения значительного количества тектонической энергии под воздействием техногенной деятельности в виде горных работ, в частности, выемке и перемещении породы.

Основные параметры этого мощного сейсмического события приведены в табл. 1 по материалам его регистрации сейсмическими станциями КРСЦ Геофизической службы РАН с привлечением данных мировой сети сейсмических станций [9].

Параметры данного сейсмического события, зарегистрированные зарубежными станциями, взяты из работы [10]. Для события 17 августа 1999 г. по результатам регистрации локальной магнитуды M_L = 5.1 и магнитуды поверхностной волны M_s = = 4.7 была рассчитана величина энергетического класса K = lg E и соответственно определена величина высвободившейся энергии E = 1.02 × 10¹² Дж. Расчеты были выполнены с использованием уравнения Бата [11]:

и соотношения Гутенберга–Рихтера [12]: а также формулы из [13]:

Вычисленная величина энергетического класса данного сейсмического события также приведена в табл. 1 и составила K = 12. При этом по результатам инструментальных измерений очаг горного удара располагался на глубине 4–7 км в непосредственной близости к руднику “Умбозеро”. Высвободившаяся в очаге этого горно-тектонического удара величина энергии E = 1.02 × 10¹² Дж, а также значение локальной магнитуды M_L = 5.1 и магнитуды M_S = 4.7, определенной по максимальной амплитуде смещения в группе поверхностных волн, оказались самыми большими для Ловозёрского массива за весь период инструментальных наблюдений на Кольском полуострове с 1956 г. Землетрясение от этого горно-тектонического удара было зарегистрировано практически всеми станциями мировой сейсмической сети (табл. 1). В течение всего года с января по ноябрь 1999 г. землетрясение сопровождалось активной форшоковой (около 20 толчков интенсивностью 4–9 энергетических классов) и афтершоковой сейсмичности (около 30 толчков интенсивностью 5–8 энергетического класса).

Схема разрушения толщи покрывающих пород над отрабатываемыми рудными залежами показана на рис. 2. Как видно из рис. 2, Ловозёрское месторождение отрабатывает пологопадающую пластообразную залежь мощностью от 1 до 5 м, выходящую на поверхность и уходящую на глубину более 1000 м. На рис. 2 показано, что во время горно-тектонического удара от выработанного пространства нижней залежи через край отработанной части верхней залежи под углом 40° к горизонту проросла громадная трещина, толщиной 10–20 см. Трещина пересекла русло ручья, текущего по поверхности, который сдренировал в горные выработки, а после возникновения трещины исчез с дневной поверхности.

В контрольно-наблюдательном квершлаге (горизонтальная подземная выработка, проводимая по пустым породам в простирании пласта), заложенном над отработанной частью нижней залежи, удалось точно измерить смещение по трещине во время горно-тектонического удара: 16 см по плоскости трещины (13 см по горизонтали и 9 см по вертикали). Самообразование трещины произошло под влиянием горизонтальных тектонических напряжений, величиной 50 МПа, действующих в массиве, которые были в 10 раз больше напряжений от веса налегающих толщ пород, и концентрации напряжений, действующих вокруг выработок на обеих сближенных залежах.

Подобные наблюдения и измерения Горного института КНЦ РАН в рудниках Кольского полуострова [14, 15] показали, что главной причиной горных ударов в рудниках являются не гравитационные напряжения, связанные с весом пород, налегающих над горными выработками, а естественные тектонические напряжения от горообразовательных процессов в литосфере, действующие в недрах массивов, которые по величине многократно превосходят напряжения, обусловленные силами веса толщи налегающих пород. Еще четверть века назад, в работе [16] было показано, что тектонические напряжения являются главной причиной наиболее мощных динамических явлений в рудниках России – горно-тектонических ударов. На основе существования в массивах рудных месторождений больших горизонтальных тектонических напряжений, как причины техногенной сейсмичности, предложены новая концепция возникновения этой сейсмичности и классификация геодинамических явлений в рудниках [15].

Некоторые предложения этой новой концепции с учетом процессов взаимодействия глубинных и приповерхностных структур и аномально высоких тектонических горизонтальных напряжений, превосходящих в 6–10 раз гравитационные напряжения от всех налегающих пород, представлены в работе [17]. Сейсмические (динамические) события в массивах рудников – это резкие подвижки геологической среды в новое положение геодинамического равновесия под влиянием действующих в этой среде напряжений. Все подвижки пород сопровождаются сейсмическими импульсами с различной энергией, зависящей от геологической среды. Для оценки воздействия сейсмического импульса при землетрясениях в сейсмологии наряду с определением выделившейся в очаге энергии по параметрам образовавшейся сейсмической волны используется понятие сейсмического момента в очаге [18]:

где М₀ – сейсмический момент в очаге землетрясения, H – м;

G – модуль сдвига пород массива, МПа;

S – площадь разрыва при сейсмическом событии, м²;

δ – величина подвижки пород в очаге, м.

Модуль сдвига G рассчитан по известному соотношению:

где Е – модуль упругости пород, МПа; ν – коэффициент Пуассона для пород.

Опыт наблюдений над сильнейшими сейсмическими событиями на рудниках Кольского полуострова подтвердил возможность расчета их энергии по формуле сейсмического момента в очаге [1, 19].

Для расчетов приняты показатели свойств пород Ловозёрского редкометального месторождения (породы – нефелиновые сиениты: луявриты, уртиты, фойянты) – величина модуля упругости E = 6 × 10⁴, коэффициент Пуассона ν = 0.25 и величина модуля сдвига G = 2.4 × 10⁶ т/м². В формуле для расчета сейсмического момента в очаге землетрясения основными показателями для определения энергии динамического события являются площадь подвижки, которая в результате горно-тектонического события составила S = 3 × × 10⁵ м², и величина произошедшей при этом подвижки δ = 0.16 м. В результате расчетов было получено, что величина сейсмического момента в очаге данного сейсмического события составила M₀ = 11.5 × 10¹² т м, величина энергетического класса K = 11.8 и соответственно выделившаяся в очаге энергии ~10¹² Дж. Таким образом, расчеты показали, что оценка энергии горно-тектонических ударов в рудниках по формуле сейсмического момента практически совпадает с расчетами энергии в источнике данного сейсмического события по параметрам образовавшейся сейсмической волны. Такой результат свидетельствует о том, что оценка энергии горно-тектонических ударов в рудниках по формуле сейсмического момента в очаге вполне допустима.

Работа выполнена с использованием данных, полученных на уникальной научной установке – “Сейсмоинфразвуковой комплекс мониторинга арктической криолитозоны и комплекс непрерывного сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира”.