Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 440-444

ВВЕДЕНИЕ

Горный удар – это интенсивное разрушение массива руды или породы, которое сопровождается выбросами разрушенной горной массы (до тысяч кубометров) и сейсмическим эффектом. Поскольку фокус горного удара расположен очень близко к земной поверхности, его интенсивность намного больше, чем у естественного землетрясения с такой же магнитудой [1, 2]. Горные удары и техногенные землетрясения (сейсмическая энергия E > 10⁸ Дж) представляет серьезную опасность для горнодобывающей промышленности и могут привести к катастрофическим последствиям: повреждения шахтного оборудования, разрушения горных выработок, сопровождающиеся травмами и жертвами среди персонала [3–6]. Например, 20 января 1960 г. на угольной шахте “Коулбрук” в ЮАР произошел мощный горный удар, где разрушения были на площади более 3 млн м² и погибли 432 рабочих [2]. При горном ударе на шахте “Крюгерсхаль” (Германия) 24 мая 1940 г. в результате обрушений на площади около 600 тыс. м² погибло 42 человека [2].

В России впервые горные удары зафиксированы более 70 лет назад на шахтах Кизеловского угольного бассейна [7]. В дальнейшем в России горные удары фиксировались на территориях угольных бассейнов (Кузнецком, Печерском, Кизеловском, Челябинском), на апатитовых месторождениях Хибинского массива, на железнорудных, бокситовых, редкометалльных месторождениях [7–11]. Сильнейшие горно-тектонические удары и техногенные землетрясения происходят на Кольском п-ове на территориях Хибинского (апатитовое месторождение) и Ловозерского (редкометалльное месторождение) горных массивов [1]. Ловозерское редкометалльное месторождение в последнее время занимает первое место по сейсмической активности среди всех рудных месторождений России [12]. Так, 17 августа 1999 г. на руднике “Умбозеро” произошло сильнейшее за всю историю эксплуатации рудников России техногенное землетрясение (магнитуда М = 4.0–4.4, Е ~ 10¹¹ Дж), разрушившее 650 тыс. м² горных выработок [1, 12].

Очевидно, что прогнозирование и профилактика горных ударов на рудниках является одной из важнейших проблем горного производства. В данной работе проанализирована периодичность горно-тектонических ударов на рудниках Севера России за период 1944–2007 гг. в связи с циклами солнечной и геомагнитной активности, рассмотрены возможные механизмы полученной взаимосвязи.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использованы данные каталогов горных ударов на рудниках Кизеловского (59° с.ш., 58° в.д.), Североуральского (СУБР) (60° с.ш., 60° в.д.), Октябрьского (Норильск) (69° с.ш., 88° в.д.), Воркутинского месторождений (67.5° с.ш., 64° в.д.) [7–11], а также месторождений Хибинского (67.6° с.ш., 33.7° в.д.) [10, 11] и Ловозерского (“Умбозеро”) (67.9° с.ш., 34.4° в.д.) [12] горных массивов за период 1947–2007 гг.

В работе использованы также записи значений среднегодовых чисел Вольфа и среднемесячных величин геомагнитного Ар-индекса, наиболее мощных (магнитуда М > 7) землетрясений и среднемесячные данные нейтронного монитора обс. Апатиты (67.6° с.ш., 33.4° в.д.). Значения геомагнитных индексов взяты на сайте Мирового центра данных по геомагнетизму в Киото WDCG (World Data Centre for Geomagnetism, Kyoto, Japan: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp). Данные о наиболее мощных (M > 7) землетрясениях за период 1900–2004 гг. представлены на сайте геологической службы США: http://neic.usgs.gov/neis/eqlists).

Достоверность сезонных распределений проверялась при помощи критерия Стьюдента. Спектральный анализ проводился при помощи метода Томсона [13]. Метод Томсона является непараметрическим и основан на использовании вытянутых сфероидальных функций конечной длительности, обеспечивающих максимальную концентрацию энергии в заданной полосе частот [13].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Зависимость горных ударов от солнечной активности (СА) и солнечно-лунных приливов отмечалась ранее в ряде работ [14–19]. В настоящей работе исследована периодичность горных ударов на большой выборке данных и приведены возможные механизмы связи техногенной сейсмичности с активностью Солнца.

На рис. 1а приведены графики среднегодовых значений чисел Вольфа W и гистограммы количества горных ударов на рудниках Кизеловского бассейна, СУБР и Ловозерского редкометалльного месторождения за период 1947–2007 гг. Отчетливо видно, что частота горных ударов увеличивается на фазах подъема и спада нечетных циклов солнечной активности, тогда как четные циклы СА характеризуются минимальным количеством горных ударов (рис. 1а). Характер распределения указывает на существование 22-летней периодичности в вариациях числа горных ударов, хотя этот вывод нельзя считать достоверным на таком небольшом временном интервале. Следует отметить, что 22-летняя периодичность в вариациях числа горных ударов отмечалась и ранее, но на меньшей выборке данных [15, 16].

Известно, что 11-летние циклы солнечной активности (циклы Швабе) присутствуют в вариациях числа солнечных пятен, солнечной радиации и галактических космических лучей (ГКЛ). Что касается 22-летнего цикла солнечной активности (цикла Хэйла), связанного со сменой полярности общего магнитного поля Солнца, то он, хотя и присутствует в вариациях ГКЛ (рис. 1б), но практически не заметен в вариациях числа солнечных пятен и солнечной радиации. Смена полярности магнитного поля Солнца происходит вблизи максимумов СА, что приводит к изменению направления дрейфа потоков ГКЛ в гелиосфере. При этом интегральный поток ГКЛ увеличивается во время 11-летних циклов с положительной полярностью (т.е., когда магнитное поле направлено от Солнца) и уменьшается во время “отрицательных” 11-летних солнечных циклов [20], что проявляется в чередовании резких и плоских максимумов потоков ГКЛ по данным нейтронного монитора обс. Апатиты (рис. 1б).

Недостаточность исходной выборки не позволяет провести спектральный анализ для достоверного выделения 22-летней периодичности горных ударов. Учитывая, что механизмы формирования и реализации горных ударов и естественных землетрясений в некоторой степени можно считать аналогичными [21] мы провели спектральный анализ периодичности наиболее мощных (M > 7) землетрясений (рис. 2). Видно, что в спектре естественной сейсмичности присутствует пик ~22 г. Как известно, 22-летняя периодичность обнаружена в климатических записях во многих регионах земного шара, причем часто с амплитудой, превышающей амплитуду 11-летнего цикла [22–29] а также в вариациях геомагнитной активности [30]. В работе [26] было высказано предположение, что 20–22-летняя периодичность, наблюдаемая в вариациях различных климатических параметров, связана с увеличением количества космической пыли внутри солнечной системы вследствие ослабления величины магнитного поля Солнца при смене знака во время солнечных максимумов. Результаты экспериментов, проведенных в рамках проекта DUST на борту космического аппарата Ulysses, показали, что экранировка магнитного поля Солнца была ослаблена во время 11-летнего солнечного максимума (2000 г.), и количество межзвездной пыли внутри Солнечной системы увеличилось втрое [31]. Вероятно, частицы космической пыли могут быть сфокусированы в плоскости эклиптики или отклоняться от нее в зависимости от полярности магнитного поля Солнца, которая изменяется каждые 11 лет, что подтверждается модельными расчетами [32]. Периодическое увеличение количества космической пыли внутри Солнечной системы, особенно в плоскости эклиптики, может повысить вероятность столкновения малых космических тел (мини-комет, комет и астероидов) друг с другом и Землей, что, в свою очередь, может привести к вариациям притока космического вещества на Землю с периодом в 22 г. [30, 32].

Выше отмечалось, что горные удары сосредоточены, в основном, на фазах спада и подъема нечетных циклов СА (рис. 1а). Похожим образом ведет себя локальный индекс геомагнитной активности в авроральной зоне [16]. На рис. 3 приведены вариации ежемесячных значений количества дней с геомагнитными возмущениями (Ар > 25 нТл) (рис. 3а), а также горных ударов на месторождениях, находящихся в авроральной (Воркутинское, Октябрьское, месторождения Хибинского горного массива) (рис. 3б) и среднеширотной (СУБР + Кизеловсий бассейн) зонах (рис. 3в). Видно, что в авроральной зоне, где геомагнитная активность максимальна, в сезонном распределении горных ударов наблюдаются два максимума: в марте (p < < 0.001) и октябре (рис. 3б), которые совпадают с равноденственными пиками в распределении геомагнитных возмущений (Ap > 25 нТл) (рис. 3а), что косвенно подтверждает их геомагнитную природу. Первый максимум в распределении горных ударов на среднеширотных рудниках (p < 0.001) также совпадает с весенним равноденственным пиком геомагнитной активности (рис. 3в). При этом следует отметить, что осенний пик в сезонном распределении реализаций горных ударов в авроральной зоне не является статистически достоверным, что объясняется недостаточным количеством данных. Основным отличием в распределении горных ударов в средних широтах является наличие зимнего максимума в декабре (p < 0.001) (рис. 3в), который не соответствует бимодальному распределению геомагнитных возмущений средней интенсивности (рис. 3а). С другой стороны, известно, что в сезонном распределении короткопериодных геомагнитных пульсаций Рс1, характерных для средних широт, также присутствует зимний максимум, особенно в годы минимальной солнечной активности [33].

Приведенные выше результаты позволяют предположить, что геомагнитные возмущения могут быть причиной изменения режима существующих напряжений в земной коре и влиять на уровень сейсмичности. Наиболее известным механизмом, объясняющим преобразование энергии магнитного поля Земли в механическую энергию горных пород, является магнитострикция. В работе [34] показано, что эманация радиоактивного радона ²²²Rn из земной поверхности связана с геомагнитными возмущениями через механизм магнитострикции:

где J – количество выделяемого радона, ∆H – амплитуда геомагнитного возмущения, T и t – период и длительность геомагнитного возмущения соответственно, Q – резонансная характеристика горной породы. Радиоактивный радон ²²²Rn выделяется из микропор на земную поверхность вследствие магнитострикционных сжатий/растяжений в высокочастотном поле геомагнитных возмущений, например, геомагнитных пульсаций и ОНЧ-излучений [34]. При этом амплитуда магнитострикции зависит от содержания в породе магнетита, а малое значение ∆H компенсируется высокой частотой: многократное малое сжатие оказывается эффективнее однократного большого сжатия [34]. Косвенным подтверждением влияния геомагнитных возмущений на уровень сейсмичности является установленная недавно синхронность геомагнитных вариаций импульсного типа и вариаций максимальной амплитуды поля микросейсмических колебаний [35].

Таким образом, рудные месторождения Кольского п-ова с большим содержанием магнитострикционных материалов, находящиеся в зоне наибольшей геомагнитной активности, являются потенциально сейсмически опасными. Примером является редкометалльное месторождение Ловозерского горного массива, сейсмичность которого была признана исключительно техногенной на основании того, что до 1990–1991 гг. сейсмических событий в районе месторождения не наблюдалось [12]. В настоящее время, несмотря на закрытие в 2004 г. одного из рудников (рудник “Умбозеро”), сейсмичность месторождения не только не прекратилась, а остается на постоянно высоком уровне [1, 12]. Результаты настоящей работы не находятся в противоречии с данным выводом, если рассматривать горные массивы, находящиеся под влиянием техногенных взрывных воздействий в качестве открытых неравновесных динамических систем [36]. В таких системах под действием внешнего источника могут возникать автоколебательные процессы [37]. В нашем случае таким внешним источником для Хибинского и Ловозерского горных массивов могут являться геомагнитные возмущения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенного анализа позволили на большой выборке данных (1947–2007 гг.) выделить 22-летнюю периодичность в возникновении горных ударов на рудниках России. Аналогичная периодичность выявлена в проявлении мощных (M > 7) естественных землетрясений. Анализ сезонного распределения горных ударов на рудниках авроральной и среднеширотной зоны свидетельствуют о возможной их связи с геомагнитной активностью. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования и профилактики горных ударов на рудниках Севера России.