4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
4.7. Pasywna tomografia sejsmiczna obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Wojciech Dębski, Łukasz
4.7.5. Podsumowanie
Tomografia sejsmiczna jest metodą geofizyczną pozwalającą na odtworzenie przestrzennego rozkładu prędkości w badanym obszarze. W niniej-szej pracy metoda ta znalazła zastosowanie w pró-bie powiązania sejsmiczności obszaru Górno-śląskiego Zagłębia Węglowego z ewentualnymi niejednorodnościami prędkości, będącymi prawdo-podobną sygnaturą niejednorodności litologicznych oraz próbą odpowiedzi na pytanie o genezę tej sej-smiczności. Otrzymane wyniki, choć nie dają 86 4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
Rys. 4.44. Najbardziej prawdopodobny rozkład prędkości w badanym obszarze GZW
Rys 4.45. Średni rozkład prędkości w badanym obszarze GZW
Rys 4.46. Przestrzenny rozkład błędów obrazowania tomogra-ficznego w badanym obszarze GZW
Rys. 4.47. Rozkład epicentrów wstrząsów zgrupowanych w klastry przestrzenne na tle konturowej mapy prędkości Kolorem zaznaczono obszar wiarygodnie rozpoznany przez tomografię
pełnej odpowiedzi na wymienione pytania, wska-zują na te obszary GZW, w których dominującą rolę mogą odgrywać konkurencyjne mechanizmy sejsmogeniczne, w szczególności zaś mechanizmy o podłożu tektonicznym.
Literatura
BULLEN K.E., BOLT B.A., 1985: An Inctroduction to the Theory of Seismology. Cambridge, University Press.
DĘBSKIW., 1996: The principles of the amplitude tomography.
Acta Montana, A-10 (102), s. 101—109.
DĘBSKIW., 1997: The Probabilistic Formulation of the Inverse Theory with Application to Selected Seismological Pro-blems. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sci., B-19.
DĘBSKI W., 2004: Application of Monte Carlo techniques for solving selected seismological inverse problems. Publs.
Inst. Geophys. Pol. Acad. Sci., B-34 (367), s. 1—207.
DĘBSKIW., YOUNG R.P., 2002: Tomographic imaging of ther-mally induced fractures in granite using Bayesian inver-sion. Pure Appl. Geophys., 159(1—3), s. 277—307.
Dokumentacja geologiczna i geofizyczna głębokich otworów:
Goczałkowice IG-1, Sosnowiec IG-1. Archiwum Państwo-wego Instytutu Geologicznego.
IDZIAK A.F., TEPER L., ZUBEREK W.M., 1999: Sejsmiczność a tektonika Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Katowi-ce, Uniwersytet Śląski.
LEEW.H.K., STEWARTS.W., 1981: Principles and Application of Microearthquake Networks. New York, Academic Press.
MATERZOKR., 1986: Seismological Model for the Upper Sile-sian Industrial Region. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad.
Sci., M-8 (191), s. 77—89.
MATERZOKR., 1988: Hodografy teoretyczne dla obszaru Gór-nośląskiego Okręgu Przemysłowego. Publs. Inst. Geophys.
Pol. Acad. Sci., M-10 (213) s. 217—232.
MENKEW., 1989: Geophysical Data Analysis: Discrete Inverse Theory. International Geophysics Series. San Diego, Aca-demic Press.
MOSEGAARD K., SAMBRIDGE M., 2002: Monte Carlo analysis of invers problem. Inv. Problem, 18, s. R29—45.
TARANTOLA A., 1987: Inverse Problem Theory: Methods for Data Fitting and Model Parameter Estimation. Amster-dam, Elsevier.
TARANTOLA A., 2005: Inverse Problem Theory and Methods for Model Parameter Estimation. Philadelphia, SIAM.
Wojciech Dębski, Łukasz Rudziński
4.7. Pasywna tomografia sejsmiczna obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego 87
Badania zmienności warunków deformacji na podstawie analizy parametrów geometrii uskoków w rejonie siodła głównego pozwoliły określić kry-teria regionalnego podziału i wydzielenia obsza-rów, w których uskoki wykazują zachowanie podobne do podatnego oraz kruchego w okresie deformacji górotworu. Małą podatnością charak-teryzują się obszary zlokalizowane w południo-wym skrzydle uskoku kłodnickiego. W rejonie siodła głównego występują naprzemiennie obszary o średniej i dużej podatności. W obszarach o małej podatności można spodziewać się dużej liczby wstrząsów niskoenergetycznych. W obsza-rach o wyższej podatności należy się spodzie-wać wstrząsów o wyższych energiach sejsmicz-nych. Wdrożenie do praktyki tej analizy pozwo-li na zwiększenie dokładności prognozowania sejsmicznego w Górnośląskim Zagłębiu Węglo-wym.
Prowadzone w ramach projektu cykliczne po-miary deformacji w technologii GPS wykazały występowanie przemieszczeń poziomych i piono-wych. Punkty pomiarowe rozmieszczono na połud-nikowej linii od Świerklańca do Wyrów, na tere-nach eksploatacyjnych węgla kamiennego oraz poza nimi. W przypadku większości punktów za-obserwowano przemieszczenie poziome o różnej wielkości, ale generalnie występujące w kierunku północ — południe (zwrot przemieszczenia skiero-wany na północ lub południe). Wyniki te korelują z występowaniem naprzemianległych stref o niskiej i wysokiej podatności w rejonie siodła głównego.
Może to świadczyć o istnieniu naprężeń tektonicz-nych pochodzących od strony Karpat. Wyniki te potwierdzają badania prowadzone w technologii In-SAR i PSIn-SAR.
Analiza mechanizmów wstrząsów w ognisku (inwersja tensora momentu sejsmicznego oraz jego dekompozycja) wskazuje na występowanie w nie-których przypadkach zjawiska z przemieszczeniem na uskoku przesuwczym. Można to tłumaczyć
je-dynie występowaniem dużych naprężeń poziomych
— tektonicznych. Stwierdzono także bardzo dużą zmienność stanu naprężeń w górotworze. Wydaje się zatem, że eksploatacja górnicza wprowadza gó-rotwór w stan niestabilny (równowagi chwiejnej) z chaotycznymi zmianami głównych kierunków tensora naprężenia. Sporadycznie pojawia się stan z pionową orientacją naprężenia pośredniego (po-ziome składowe σ1 i σ3). W takim przypadku wy-stępują przemieszczenia przesuwcze, a oś σ1 jest skierowana południkowo. Świadczy to o istnieniu współczesnych naprężeń tektonicznych.
Na podstawie nowej, zmodyfikowanej metody bezmodelowego wyznaczania energii granicznej rozkładu energetycznego wstrząsów górniczych wyznaczono estymaty tych wartości dla poszcze-gólnych obszarów GZW. Energia graniczna wyzna-cza próg, powyżej którego zwiększa się prawdopo-dobieństwo wystąpienia wstrząsów tzw. tektonicz-no-eksploatacyjnych.
W ramach badań przeanalizowano kierunki mi-gracji ognisk wstrząsów górniczych. W obrębie siodła głównego, niecki bytomskiej i Rybnickiego Okręgu Węglowego wyróżniono tylko jeden domi-nujący kierunek migracji od –70° do –80°, co jest zgodne z biegiem głównego zespołu kierunkowego uskoków, w przybliżeniu równoległego do granicy nasunięcia karpackiego. W niecce głównej nato-miast obecny jest także kierunek drugiego rzędu o azymucie –33°.
Pasywna tomografia sejsmiczna, oparta na tech-nice Bayesa w ujęciu dwuwymiarowym z relokali-zacją ognisk wstrząsów, pozwoliła na odtworzenie przestrzennego rozkładu prędkości i powiązanie go z rozkładami klastrów epicentrów. Pierwsza i naj-ważniejsza grupa wstrząsów występuje w obsza-rach o obniżonej prędkości fal sejsmicznych. Dwa drugie klastry wiążą się z obszarami o podwyższo-nej prędkości. Ostatni klaster stwierdzono w obsza-rze silnego gradientu prędkości fal podłużnych, co musi mieć podłoże litologiczne i może się okazać
Podsumowanie wyników i wnioski
12 — Geneza...
istotne w wyjaśnianiu genezy najsilniejszych wstrząsów w GZW.
Uzyskane wyniki wskazują zatem na koniecz-ność uwzględnienia udziału naprężeń tektonicznych w genezie wstrząsów, szczególnie tych najsilniej-szych, na obszarach górniczych Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Z uwagi na to, że zjawiska te nie występują często, a wpływy tektoniczne muszą
być obserwowane w bardzo długich okresach, ba-dania te nie należą do łatwych i muszą być syste-matycznie kontynuowane. Z poznawczego punktu widzenia do sukcesu należy ich zainicjowanie i na-danie im odpowiedniego kierunku, o czym mogą świadczyć uzyskane w ramach projektu rezultaty.
Wacław M. Zuberek
90 Podsumowanie wyników i wnioski
Noty o Autorach
Wacław M. Zuberek, prof. dr hab. inż., Uniwersy-tet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Stosowanej
Lesław Teper, prof. UŚ dr hab., Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Stosowanej
Anna Lisek, mgr, Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Stosowanej Krzysztof Jochymczyk, dr inż., Uniwersytet Śląski,
Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Stosowanej
Zbigniew Perski, dr, Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Podstawowej Józef Dubiński, prof. dr hab. inż., Główny Instytut
Górnictwa
Adam Lurka, dr hab. inż., Główny Instytut Górnictwa Grzegorz Mutke, doc. dr hab. inż., Główny Instytut
Górnictwa
Krystyna Stec, dr inż., Główny Instytut Górnictwa
Ryszard Dubiel, dr, Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Stosowa-nej
Adam F. Idziak, prof. dr hab., Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Stosowanej
Stanisław Lasocki, prof. dr hab., Instytut Geofizyki PAN, Zakład Sejsmologii i Fizyki Wnętrza Ziemi
Beata Orlecka-Sikora, dr inż., Instytut Geofizyki PAN, Zakład Sejsmologii i Fizyki Wnętrza Ziemi
Janusz Mirek, dr inż., Akademia Górniczo-Hutni-cza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Katedra Geofizyki
Wojciech Dębski, doc. dr hab., Instytut Geofizyki PAN, Zakład Sejsmologii i Fizyki Wnętrza Ziemi
Łukasz Rudziński, mgr, Instytut Geofizyki PAN, Zakład Sejsmologii i Fizyki Wnętrza Ziemi
12*
The controversies concerning the origins of the stron-gest tremors in Upper Silesian Coal Basin (USCB) and their connection to tectonics have been appearing for many years. The studies conducted aimed at explaining the relations between a geological structure and the oc-currence of seismic phenomena. The aim of the project was above all:
— to define the areas in Upper Silesia of an increased seismic activity and the relations between seismic phenomena and a geological structure of the research area,
— to show directions of tectonic stresses on the basis of the studies on the focal mechanisms of tremors,
— to define the relationship between the areas of the biggest surface subsidence caused by the undergro-und exploitation and regions of the concentration of the foci of the strongest tremors.
The analysis of the parameters of the geometry of faults in the region of the Main Anticline allowed for defining the criteria of the regional division and area distinction in which the faults are similar to ductile or brittle in the deformation period. A low ductility was ascribed to areas located in the southern wing of the Kłodnica fault. In the region of the Main Anticline occur the areas of an average and high ductility. In the areas of low ductility one can currently expect a big number of low-energetic tremors. In the areas of higher ductility one should expect tremors of higher seismic energy. The implementation of the analysis into practice will allow for increasing the precision of seismic hazard prediction in Upper Silesian Coal Basin.
Cyclic measurements of deformation in the GPS sta-tic technology showed the existence of horizontal and vertical shifts. The measurements points were on the meridional line from Świerklaniec to Wyry, in the areas of coal mine exploitation and beyond them. For the ma-jority of points the horizontal shifts of various heights were observed, mainly in the north-south direction (the shift turn to the north or south). The very results corre-late with the occurrence of alternate spheres of low and high susceptibility in the region of the main anticline. It may prove the existence of tectonic stresses coming from the Karpaty side. The findings confirm the
rese-arch of the satellite radar In-SAR and PSIn-SAR inter-pherometry.
The analysis of the focal mechanisms of tremors (the inversion of the tensor of the seismic moment and its decomposition) points to the occurrence of the phenom-enon with shift on the strike-slip faults in some cases. It can be accounted for by the appearance of big horizon-tal, probably, tectonic stresses. Also a very big change-ability of the state of stresses in the rock mass was proved. Thus, it seems that the mining exploitation introduces the rock mass into the unstable state with chaotic changes of main directions of the main tensor stresses. Sporadically, the state with a vertical orienta-tion of indirect stresses (σ1 and σ3 horizontal constitu-ent) appears. In such a case shifts occur whereas the σ1 axis is meridionally directed. It may prove the existence of contemporary tectonic stresses. On the basis of a new modified method of a modeless distinction of the bor-derline energy of the distribution of energetic mining tremors the estimates of these values for particular areas in Upper Silesian Coal Basin were defined. The border-line energy defines the level above which the likelihood of the occurrence of the so called tectonic-exploitative tremors increases.
Within the scope of the research the migration direc-tions of the foci of mining tremors were analysed. In the region of the Main Anticline, Bytom Syncline and Rybnik Coal District only one dominant migration direc-tion W-E (70—80°) can be distinguished, which is in ac-cordance with the main course of the fault system in Up-per Silesian Coal Basin (in the approximation of the parallels to the borderline of the Karpaty thrust). But, in the Main Syncline the direction of the second-important azimuth (33°) is present.
A passive seismic topography, based on Bayes’
technique, in a two-dimensional perspective with a re-localization of foci allowed for a reconstruction of the spacious distribution of velocity and connecting it to the distribution of the epicenter clusters. The first and most important group of tremors appears in the areas of a lowered velocity of seismic waves. The other two clusters are connected with the areas of an increased velocity. The last cluster was observed in the area of a strong gradient of the velocity of longitudinal waves, The origins and characteristics of seismic hazard in USCB
S u m m a r y
which must have a lithological underlying and may ap-pear to be important when explaining the origins of the strongest tremors in Upper-Silesian Coal Basin.
All the data obtained point to the necessity of taking into account the contribution of tectonic stresses to the origin of tremors, especially the strongest ones in the mining areas of the Upper Silesian Coal Basin. Due to
the fact that the very phenomena are not frequent and tectonic influences must be observed in long periods of time, the very studies are not easy and must be carried on systematically. From the cognitive point of view, the initiation of these studies and giving them the right direction is a success, which can be proved by the re-sults gained within the scope of the project.
94
- 95
" , ! !
! " —70° !
—80°,
( "
! ). !, !
!
! —33°.
% ,
- "
- !
! &" .
!
. ( !
- . !
!
!- , !
-
.
' ,
,
.
% , ! ,
! !
! , & ! ; , ! ! . $
! &
! !
, !
.
Redaktor: Barbara Todos-Burny Projektant okładki: Paulina Tomaszewska-Ciepły Redaktor techniczny: Barbara Arenhövel Korektor: Lidia Szumigała
Copyright © 2010 by Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego Wszelkie prawa zastrzeżone
ISSN 0208-6336 ISBN 978-83-226-1933-9
Wydawca
Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego ul. Bankowa 12B, 40-007 Katowice www.wydawnictwo.us.edu.pl e-mail: wydawus@us.edu.pl
Wydanie I. Ark. druk. 12,0. Ark. wyd. 11,0. Papier offset.
kl. III, 90 g Cena 18 zł
Łamanie: Pracownia Składu Komputerowego Wydawnictwa Uniwersytetu Śląskiego
Druk i oprawa: EXPOL, P. Rybiński, J. Dąbek, Spółka Jawna ul. Brzeska 4, 87-800 Włocławek