Geneza i charakterystyka zagrożenia sejsmicznego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym

100  Download (0)

Pełen tekst

(1)
(2)
(3)

Geneza i charakterystyka zagrożenia sejsmicznego

w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym

(4)

NR 2764

(5)

Geneza i charakterystyka zagrożenia sejsmicznego

w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym

pod redakcją

Wacława M. Zuberka i Krzysztofa Jochymczyka

Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego Katowice 2010

(6)

Redaktor serii: Nauki o Ziemi

Andrzej T. Jankowski

Recenzent

Edward Popiołek

Projekt badawczy zamawiany PBZ-KBN-104/T12/2003

Kierownik projektu prof. dr hab. inż. Wacław M. Zuberek

Publikacja będzie dostępna — po wyczerpaniu nakładu — w wersji internetowej:

Śląska Biblioteka Cyfrowa www.sbc.org.pl

(7)

Spis treści

Wstęp (Wacław M. Zuberek) . . . . 7

1. Badania nad sejsmicznością w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym — ewolucja poglądów na pocho- dzenie wstrząsów (Wacław M. Zuberek) . . . . 9

2. Przestrzenna zmienność warunków deformacji górotworu w rejonie siodła głównego wyznaczona na podstawie badań geometrii uskoków (Lesław Teper, Anna Lisek) . . . . 14

2.1. Wstęp . . . . 14

2.2. Metodyka badań . . . . 15

2.3. Omówienie wyników . . . . 21

2.4. Podsumowanie wyników . . . . 24

3. Badania geodezyjne . . . . 27

3.1. Pomiary przemieszczeń w technologii statycznej GPS (Krzysztof Jochymczyk) . . . . 27

3.1.1. Wstęp . . . . 27

3.1.2. Lokalizacja badań . . . . 27

3.1.3. Metodyka pomiarów terenowych oraz przetwarzanie danych . . . . 28

3.1.4. Wyniki badań . . . . 29

3.1.5. Wnioski . . . . 33

3.2. Satelitarna interferometria radarowa InSAR i PSInSAR (Zbigniew Perski) . . . . 35

3.2.1. Opis technologii InSAR i PSInSAR . . . . 35

3.2.1.1. Satelitarna interferometria radarowa (InSAR) . . . . 35

3.2.1.2. Metoda PSInSAR . . . . 37

3.2.2. Zastosowane dane . . . . 37

3.2.3. Przetwarzanie danych InSAR . . . . 38

3.2.4. Przetwarzanie danych PSInSAR . . . . 39

3.2.5. Analiza dokładności wyników uzyskanych dla obszaru GZW . . . . 41

3.3. Kompleksowa analiza danych (Zbigniew Perski) . . . . 41

3.3.1. Analiza interferogramów . . . . 41

4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego . . . . 45

4.1. Charakterystyka sejsmiczności obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Józef Dubiński, Adam Lurka, Grzegorz Mutke, Krystyna Stec) . . . . 45

4.1.1. Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna . . . . 45

4.1.2. Charakterystyka sejsmiczności obszaru GZW . . . . 46

4.2. Mechanizmy ogniskowe zjawisk sejsmicznych indukowanych na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Ryszard Dubiel) . . . . 49

4.2.1. Wstęp . . . . 49

4.2.2. Wyniki badań . . . . 50

4.2.3. Mechanizmy nieścinające . . . . 51

4.2.4. Średnie lokalne tensory naprężeń, obliczone na podstawie mechanizmów ogniskowych indukowa- nych zjawisk sejsmicznych . . . . 51 4.3. Badanie rozkładu epicentrów silnych wstrząsów w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (Adam F. Idziak) . 53

(8)

6 Spis treści

4.3.1. Analiza zmian średniej aktywności sejsmicznej w GZW . . . . 54

4.3.2. Badanie tempa wyzwalania energii sejsmicznej na tle aktywności sejsmicznej . . . . 57

4.4. Testowanie złożoności rozkładu wielkości źródeł sejsmicznych na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Stanisław Lasocki, Beata Orlecka-Sikora) . . . . 59

4.5. Badanie kierunków migracji ognisk wstrząsów „tektonicznych” w celu wyjaśnienia uwarunkowań i me- chanizmów ich powstawania (Janusz Mirek, Beata Orlecka-Sikora, Stanisław Lasocki) . . . . 64

4.5.1. Analiza defleksji wstrząsów z GZW . . . . 65

4.5.2. Analiza zmian w czasie dwuwymiarowego rozkładu prawdopodobieństwa położenia epicentrum wstrząsów . . . . 67

4.6. Estymacja górnego ograniczenia wielkości źródła sejsmicznego na obszarze siodła głównego (Beata Orlecka-Sikora, Stanisław Lasocki) . . . . 78

4.7. Pasywna tomografia sejsmiczna obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Wojciech Dębski, Łukasz Rudziński) . . . . 80

4.7.1. Wstęp . . . . 80

4.7.2. Inwersja probabilistyczna . . . . 80

4.7.3. Tomografia sejsmiczna obszaru GZW . . . . 81

4.7.4. Wyniki tomografii — dyskusja . . . . 85

4.7.5. Podsumowanie . . . . 86

Podsumowanie wyników i wnioski (Wacław M. Zuberek) . . . . 89

Noty o Autorach . . . . 91

Summary . . . . 93

 . . . . 94

(9)

Występowanie sejsmiczności w rejonach eks- ploatacji górniczej jest zjawiskiem dobrze znanym i musi być rozpatrywane jako jedno z negatywnych oddziaływań górnictwa na środowisko. Jest też przedmiotem specjalnie zaprojektowanych badań sejsmologicznych, górniczych i geologicznych pro- wadzonych na świecie już od 100 lat, a w Górno- śląskim Zagłębiu Węglowym (GZW) zainicjowa- nych z końcem lat dwudziestych ubiegłego wieku.

Nie udało się jednak do dzisiaj wyjaśnić jedno- znacznie genezy najsilniejszych wstrząsów i często sugerowanych związków z tektoniką obszaru.

W pracy A.F. IDZIAKAi in. (1999) przedstawiono związki między sejsmicznością obszaru GZW a współczesną aktywnością tektoniczną. Opisany w niej model sejsmotektoniczny Zagłębia dobrze charakteryzuje pewne prawidłowości w generowa- niu silnych wstrząsów. Przyjęto zatem, że model ten można stosować do opisu powstających w góro- tworze najsilniejszych zjawisk dynamicznych. Nie pozwala to jednak na pełne poznanie i zrozumienie procesu genezy zjawisk sejsmotektonicznych. No- woczesne techniki pomiarowe i interpretacyjne stwarzają w tym przypadku duże możliwości pro- wadzenia obserwacji oraz monitorowania procesów i zjawisk zachodzących w całym obszarze.

W możliwie najkompetentniejszym zespole spe- cjalistów podjęto zatem próbę przeprowadzenia ba- dań pozwalających rzucić nowe światło na stawiane pytania, rozstrzygnąć niektóre z kontrowersyjnych poglądów, a także dostarczyć nowych rozwiązań, które umożliwiłyby poprawę efektywności oceny ryzyka związanego z zagrożeniem sejsmicznym.

W zespole koordynowanym przez Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, przy współpracy sejsmologów Zakładu Sejsmologii

Instytutu Geofizyki PAN w Warszawie, Katedry Geofizyki Wydziału Geologii Geofizyki i Ochrony Środowiska Akademii Górniczo-Hutniczej w Kra- kowie oraz Laboratorium Sejsmologii Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach, podjęto bada- nia w ramach projektu badawczego zamawianego nr PBZ-KBN-104/T12/2003, aby uzyskać odpo- wiedzi między innymi na następujące pytania:

— Czy w rejonie Górnego Śląska występują strefy, w których należy oczekiwać zwiększonej ak- tywności sejsmicznej, w jaki sposób wiążą się one z geologią rejonu oraz w jaki sposób uwa- runkowania geologiczno-tektoniczne wpływają na zróżnicowanie zagrożenia sejsmicznego?

— Czy w mechanizmie ognisk niektórych wstrzą- sów zaznaczają się konsekwentnie pewne kie- runki nacisków, które można wiązać z aktywno- ścią tektoniczną?

— Jakie relacje zachodzą między obszarami naj- większych osiadań powierzchni terenu wywo- łanych eksploatacją podziemną a rejonami kon- centracji ognisk najsilniejszych wstrząsów?

— Czy obserwowany w sekwencjach najsilniej- szych wstrząsów przeskok ognisk wstrząsów na- leży wiązać z tektoniką zagłębia?

Literatura

IDZIAK A.F., TEPER L., ZUBEREK W.M., 1999: Sejsmiczność a tektonika Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Katowi- ce, Uniwersytet Śląski, 98 s.

Wacław M. Zuberek

Wstęp

(10)
(11)

Dzisiaj wiadomo, że występowanie sejsmiczno- ści indukowanej w obszarze eksploatacji górniczej jest wynikiem naruszenia równowagi w górotworze i przejawem niestabilnego wyzwalania akumulowa- nia w nim energii odkształcenia, przy czym źródła akumulowanej energii mogą być różne — zwykle są to naprężenia eksploatacyjne, które mogą się nakładać na naprężenia tektoniczne, lub obserwuje- my je w górotworze o właściwościach zdetermino- wanych budową i historią geologiczną obszaru.

Z naukowego punktu widzenia bardzo istotne jest wyróżnienie naprężeń eksploatacyjnych i ewen- tualnej składowej tektonicznej, jednakże już R. TEISSEYRE (1983) stwierdził, że „rozróżnianie wstrząsów na eksploatacyjne i tektoniczne może być trudne i bezprzedmiotowe, jeśli powiązanie na- turalnej tektoniki i długotrwałej eksploatacji dopro- wadziło do pola naprężeń, które ze względu na swój charakter i zasięg trudno rozdzielić na części różne przyczynowo”. Z tego też względu tylko długotrwałe badania i obserwacje oraz monitoring obszaru mogą doprowadzić do pewnych korelacji, z których można wyciągnąć odpowiednie wnioski.

W tym sensie za charakterystyczną i pouczającą należy uznać wyraźną ewolucję poglądów na gene- zę wstrząsów w Górnośląskim Zagłębiu Węglo- wym.

Początkowo wstrząsom pojawiającym się w GZW przypisywano głównie pochodzenie tekto- niczne, stwierdzając układanie się ognisk wstrząsów wzdłuż pewnych kierunków, w przybli- żeniu zgodnych z biegiem głównych uskoków w zagłębiu, przy czym rejestrowano wtedy jedynie najsilniejsze z nich, a dokładność lokalizacji ognisk była niewielka. Najbardziej znanymi reprezentanta- mi tego poglądu byli profesorowie E.W. JANCZEW- SKI (1955, 1957) i W. BUDRYK (1955) z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, choć trzeba

przyjąć, że byli świadomi wpływu eksploatacji na występowanie tych zjawisk.

W miarę rozwoju aparatury zagęszczenia sieci obserwacyjnej i doskonalenia metod interpretacji zapisów szybko obniżał się poziom detekcji wykry- wanych wstrząsów, a ponieważ większość ognisk wyraźnie wiązała się z eksploatacją górniczą i przemieszczała się wraz z postępem frontów eks- ploatacyjnych, upowszechnił się pogląd o eksplo- atacyjnym pochodzeniu wstrząsów, który w litera- turze najczęściej reprezentowali Z. WIERZCHOWSKA

(1961) i J. ZNAŃSKI (WIERZCHOWSKA, ZNAŃSKI, 1972). Nie wszyscy jednak podzielali w pełni ten punkt widzenia, gdyż były przesłanki dla dopatry- wania się w przypadkach niektórych wstrząsów wpływów tektonicznych (GIBOWICZ, 1963; TEISSEY- RE, 1972), tym bardziej, że pojawiały się niezależne dowody oddziaływań tektonicznych na obszarze Górnego Śląska lub w jego sąsiedztwie (KOTAS, 1972; KOWALCZYK, 1972; JURA, 1996; TEPER, 1998).

Aktualnie oba wcześniejsze, pozornie sprzeczne, poglądy na temat genezy wstrząsów górniczych w sposób spójny łączy teza o bimodalności (lub multimodalności) rozkładu energetycznego tych zjawisk, co jest już powszechnie akceptowane w sejsmologii górniczej (DESSOKEY, 1984; MARCAK, 1985; KIJKOi in., 1985, 1986, 1987; ZUBEREK, 1986;

LASOCKI, 1988; STANKIEWICZ, 1989; IDZIAK i in., 1991; GIBOWICZ, KIJKO, 1994; GIBOWICZ, LASOCKI, 2001).

Istotą tej koncepcji jest założenie, że rozkład energetyczny wstrząsów indukowanych jest nałoże- niem się na siebie co najmniej dwóch mód — ni- sko- i wysokoenergetycznej. Moda niskoenergetycz- na reprezentująca przeważającą liczbę wstrząsów (głównie słabszych) bezpośrednio wiąże się z eks- ploatacją górniczą (pękanie górotworu w otoczeniu wyrobisk). Moda wysokoenergetyczna jest wyni-

1. Badania nad sejsmicznością w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym — ewolucja poglądów na pochodzenie wstrząsów

2 — Geneza...

(12)

kiem współoddziaływań naprężeń eksploatacyjnych z geologią lub naprężeniami tektonicznymi.

Wstrząsy niskoenergetyczne wiążą się wyraźnie i bezpośrednio z eksploatacją złoża, powstają w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobisk górniczych, ich ognisk, a przemieszczają się wraz z postę- pującym frontem eksploatacji. Sejsmiczność tej mody energetycznej wstrząsów uzależniona jest od właściwości górotworu, wielkości wybranego ob- szaru, sposobu kierowania stropem i prędkości eks- ploatacji, a maksymalna wielkość wstrząsu będzie zależeć od właściwości górotworu (KIJKO, 1985;

MARCAK, 1985; SYREK, KIJKO, 1988; DUBIŃSKI, KONOPKO, 2000; STEC, 2007).

Wstrząsy górnicze o najwyższych energiach sej- smicznych są o wiele rzadsze i mniej poznane.

Mają bardziej regionalny zasięg; często trudno zna- leźć ich bezpośredni związek z eksploatacją gór- niczą, a nawet nie zawsze są widoczne skutki ta- kich wstrząsów w wyrobiskach górniczych, chociaż zniszczenia na powierzchni mogą być znaczne.

Przypuszcza się, że naprężenia tektoniczne, aktual- ne lub rezydualne, mogą mieć udział w generowa- niu tego typu zjawisk (TEISSEYRE, 1983; GIBOWICZ, 1990; ZUBEREK, 1993), a część z nich to poślizgi na płaszczyznach nieciągłości lub osłabień w góro- tworze (RYDER, 1988). Rozkłady energetyczne tej mody wstrząsów są odmienne w różnych rejonach geologiczno-strukturalnych, co sugeruje związek wstrząsów mody wysokoenergetycznej z budową geologiczną (IDZIAK i in., 1991). Badania geologii obszarów górniczych w rejonie Górnego Śląska po- zwoliły na sformułowanie wiarygodnego modelu deformacji, który umożliwia korelację występowa- nia sejsmiczności indukowanej eksploatacją gór- niczą z tektoniką regionalną (TEPER i in., 1992;

SAGAN i in., 1996; ZUBEREK i in., 1996, 1997;

TEPER, 1998).

Rozkład energetyczny wstrząsów z rejonu GZW występuje w formie podobnej do rozkładu hiperbo- licznego (rozkładu Gutenberga — Richtera), cho- ciaż odchylenia bywają dosyć duże, a wartości współczynnika b dla rejonu GZW wynoszą 0,7£ b £ 3,0 (PIERWOŁA, 1998). Na parametry rozkładu energetycznego ma wpływ wiele czynni- ków geologicznych oraz technologiczne parametry prowadzonej eksploatacji złoża, w związku z czym wartość współczynnika b tego rozkładu ulega zmianom w czasie oraz uzyskuje się inne wartości w różnych rejonach zagłębia (DUBIŃSKI, SYREK, 1990; PIERWOŁA, 1998; IDZIAK i in., 1999). J. PIER- WOŁA (1998) uważa, że różnice w budowie geolo- gicznej poszczególnych jednostek strukturalnych GZW decydują o zróżnicowaniu zdolności góro- tworu do wyzwalania akumulowanej energii od- kształcenia, przyjmując niższe wartości w rejonach

o możliwości występowania silnych wstrząsów (charakterystycznych dla kruchego typu deforma- cji) i wyższe wartości dla obszarów o wysokiej sej- smiczności, ale głównie wstrząsów o niższych energiach (typowych dla obszarów deformujących się ciągliwie).

W dystrybuantach energii sejsmicznej wstrząsów zaznacza się bimodalność rozkładów (ZUBEREK, 1986; IDZIAK i in., 1991; IDZIAK i in., 1999), co może wskazywać albo na odmienny mechanizm generowania wstrząsów w różnych warstwach góro- tworu o różnych właściwościach, albo na wpływ naprężeń tektonicznych na występowanie najsilniej- szych wstrząsów (KIJKO i in., 1986; ZUBEREK, 1986;

IDZIAK i in., 1991, 1999; GIBOWICZ, KIJKO, 1994).

Występowanie rozkładu energetycznego wstrzą- sów w formie rozkładu Gutenberga — Richtera może mieć także interpretację fraktalną, przy czym stwierdzono, że wskutek występowania bimodalno- ści odbiega on od rozkładu fraktalnego (IDZIAK, ZUBEREK, 1995), co jednak nie wyklucza, że w za- kresie poszczególnych mód rozkłady energii mogą być fraktalne (IDZIAK i in., 1999).

Rozkład epicentrów silnych wstrząsów (o energii większej od 1 MJ) na obszarze GZW nie jest rozkładem jednorodnym; występują wyraźne skupi- ska ognisk wstrząsów, a najsilniejsze wstrząsy (o energii > 100 MJ) zaobserwowano w większości w siodle głównym i w niecce bytomskiej (IDZIAK

i in., 1999). Ostatnio jednak sejsmiczność w niecce bytomskiej wyraźnie maleje. Rozkład epicentrów wstrząsów jest samopodobny w sensie statystycz- nym i tworzy losowy zbiór fraktalny o zróżnicowa- nym wymiarze fraktalnym w poszczególnych sub- jednostkach strukturalnych GZW, co może być jed- nym z dowodów na to, że sejsmiczność zagłębia ma charakter regionalny (TEPER, IDZIAK, 1995) i musi być traktowana całościowo, z uwzględnie- niem zarówno dużych skupisk wstrząsów, jak i ob- szarów asejsmicznych (IDZIAK i in., 1999).

Badania poissonowskiego charakteru sekwencji wstrząsów w GZW wskazują, że serie wstrząsów mogą być traktowane jako realizacje uogólnionego, punktowego procesu Poissona ze zmienną w czasie średnią aktywnością sejsmiczną (LASOCKI, 1992;

IDZIAK i in., 1999).

Badania rozkładu epicentrów w sekwencjach czasowych silnych wstrząsów występujących w GZW wykazały kierunkowe tendencje powsta- wania kolejnych wstrząsów zarówno wewnątrz sku- pień ognisk, jak i między nimi (IDZIAK, 1996;

IDZIAK, LASOCKI, 1997; LASOCKI, IDZIAK, 1998).

Wykazano (IDZIAK i in., 1999), że epicentra nastę- pujących po sobie wstrząsów nie są rozmieszczone losowo, lecz układają się zgodnie z pewnymi tren- dami kierunkowymi. Analizując zaś sekwencje cza- 10 1. Badania nad sejsmicznością w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym...

(13)

sowe silnych wstrząsów w rejonie siodła głównego i niecki bytomskiej, stwierdzono przemienność występowania ognisk, tzn. wystąpienie silnego wstrząsu np. w siodle głównym z dużym prawdo- podobieństwem wywoła silny wstrząs w niecce by- tomskiej, a odchylenie kierunku wyznaczonego przez ogniska będzie podobne do kierunku domi- nującego (–230°) (IDZIAK i in., 1999).

Przeprowadzone badania i analizy obrazów sate- litarnych Landsat i ERS-2 (InSAR) pozwoliły na wydzielenie w obszarze GZW wielu lineamentów (PILECKA i in., 2006) i stwierdzenie ich jakościo- wych związków z pojawieniem się silniejszych wstrząsów, chociaż występowanie lineamentów i ich związki z tektoniką obszaru nie są w pełni jednoznaczne i obserwuje się ich dużą zmienność w czasie, co trudno uzasadnić.

Bardzo ciekawe informacje dotyczące warunków powstawania wstrząsu w źródle dostarcza inwersja tensora momentu sejsmicznego, która pozwala na wyznaczenie składowych tensora na podstawie za- rejestrowanych sejsmogramów przemieszczenia w kilku stacjach rozmieszczonych wokół ogniska wstrząsu i znanej funkcji Greena, charakteryzującej propagację fal w ośrodku geologicznym, przy za- łożeniu typu funkcji opisującej pobudzenie ośrodka w źródle (GILBERT, 1973; AKI, RICHARDS, 1980;

GIBOWICZ, 1992).

Tensor ten można rozłożyć, czyli zdekompono- wać (w sposób jednoznaczny) na część izotropową (I), opisującą odkształcenie objętości (ściskanie lub rozciąganie), i część dewiatorową (D), opisującą odkształcenia postaci. Część dewiatorową rozkłada się dalej (już niejednoznacznie) na tensor opisujący działanie pary sił bez momentu obrotowego, tzw.

liniowy dipol skompensowany CLVD, powodujący osiowe ściskanie lub rozciąganie ośrodka, oraz ten- sor opisujący podwójną parę sił (DC), odpowie- dzialny za czyste ścinanie w źródle. Wykorzystanie tak prowadzonej dekompozycji tensora momentu sejsmicznego w przypadku wstrząsów górniczych pozwoliło stwierdzić, że występujące w nich me- chanizmy odbiegają od typowej podwójnej pary sił i często zawierają składową izotropową (I) implo- zyjną lub eksplozyjną, a także liniowy dipol skom- pensowany (CLVD) (GIBOWICZ, 1990, 1992;

MCGARR, 1984; FEIGNER, YOUNG, 1993; DUBIEL, 1996; ZUBEREKi in., 1996, 1997; IDZIAK i in., 1997, 1999; WIEJACZ, ŁUGOWSKI, 1997; STEC, 2007), cho- ciaż większość z nich wykazuje znaczny (ponad 70%) udział składowej DC wskazującej na czyste ścinanie. Mechanizm wstrząsów typowo eksploata- cyjnych ma związek z eksploatacją (pękanie pokładu lub skał stropowych).

W mechanizmach wstrząsów tektoniczno-górni- czych widoczny jest natomiast wpływ tektoniki re-

gionalnej i współczesnych procesów dynamicznych (SAGAN i in., 1996; IDZIAK i in., 1997, 1999;

MUTKE, STEC, 1997; STEC, 2007). W mechanizmie ścinającym tensora momentu sejsmicznego zazna- czają się dwie płaszczyzny nodalne wzajemnie pro- stopadłe (z których jedna jest płaszczyzną znisz- czenia — przyjmuje się tę o większym kącie upa- du).

W GZW zaobserwowano trzy grupy wstrząsów (IDZIAK i in., 1999) różniących się upadami płasz- czyzn nodalnych, a mianowicie:

— grupa pierwsza — jedna z płaszczyzn podobna do pionowej, uskoki normalne (IDZIAK i in., 1997; TEPER i in., 1992);

— grupa druga — kąty upadu pośrednie (30°—

70°) — uskoki normalne i odwrócone; K. STEC

(1994) stwierdza, że wstrząsy o mechanizmach normalnych powstają w wyniku wstrząsów ge- nerowanych daleko przed frontem eksploatacji, a występujące mechanizmy uskoków odwróco- nych wskazujących na naprężenia poziome nie są całkowicie jasne;

— grupa trzecia to wstrząsy, w których obie płasz- czyzny nodalne zapadają pod dużym kątem, wektor poślizgu zaś jest prawie poziomy; są to wstrząsy o mechanizmie zrzutowo-przesuw- czym oraz przesuwczym (STEC, 1994; IDZIAK

i in., 1997) potwierdzające na występowanie na- cisków poziomych.

Literatura

AKIK., RICHARDSP.C., 1980: Quantitative seismology. Theory and Methods. San Francisco, W.H. Freeman & Co.

BUDRYKW., 1955: Skutki trzęsień w kopalniach górnośląskich.

Arch. Górn. Hutn., 3, 2, s. 227—290.

DESSOKEY M.M., 1984: Statistical models of seismic hazard analysis for mining tremors and natural earthquakes. Publ.

Inst. Geoph. Pol. Acad. Sci., A-15, s. 174.

DUBIEL R., 1996: The mechanisms of mining tremors from Śląsk coal mine area. Acta Montana, A(100), s. 27—34.

DUBIŃSKI J., KONOPKO W., 2000: Tąpania, ocena, prognoza, zwalczanie. Katowice, Główny Instytut Górnictwa, 378 s.

DUBIŃSKI J., SYREKB., 1990: Kształtowanie się parametru b rozkładu Gutenberga — Richtera w aktywnych sejsmicznie rejonach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Acta Mon- tana, A(83), s. 143—158.

FEIGNERB., YOUNGR.P., 1992: Failure mechanisms of micro- seismic events generated by a breakout development aro- und an underground opening. In: Proc. 3 rd Int. Symp. On Rockbursts and Seismicity in Mines. Ed. R.P. YOUNG. Rot- terdam—Brookfield, Balkema, s. 181—186.

GIBOWICZS.J., 1963: Klasyfikacja energetyczna wstrząsów pod- ziemnych na Górnym Śląsku i częstotliwość ich występowa- nia w zależności od energii. Arch. Górn., 8, 1, s. 17—40.

GIBOWICZS.J., 1990: Seismicity induced by mining. Adv. Geo- physics [Academic Press] 32, s. 1—74.

1. Badania nad sejsmicznością w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym... 11

2*

(14)

GIBOWICZS.J., 1992: Seismic moment tensor and its applica- tion in mining seismicity studies: A review. Acta Montana, A(88), s. 37—69.

GIBOWICZS.J., KIJKOA., 1994: An introduction to mining sei- smology. Int. Geoph. [San Diego—New York, Academic Press], 399 s.

GIBOWICZ S.J., LASOCKI S., 2001: Seismicity induced by mi- ning: ten years later. Adv. Geophysics [San Diego—San Francisco—New York, Academic Press], s. 39—181.

GILBERT F., 1973: Derivation of source parameters from low-frequency spectra. Phil. Trans. R. Soc., A 274, s. 369—371.

IDZIAKA.F., 1996: Spatial distribution of the induced seismici- ty in the Upper Silesian Coal Basin. In: Tectonophysics of mining areas. Ed. A.F. IDZIAK. Katowice, Uniwersytet Śląski, s. 99—109.

IDZIAKA.F., LASOCKIS., 1997: Badania struktury seryjnej in- dukowanych wstrząsów sejsmicznych z obszaru Górno- śląskiego Zagłębia Węglowego. In: Vysledky novych studii v seismologii a inzenyrske geofyzice. Ed. Z. KALAB. Ostrava—Poruba, Ustav Geoniky AVCR, s. 151—158.

IDZIAK A.F., SAGAN G., ZUBEREK W.M., 1991: Analiza rozkładów energetycznych wstrząsów z obszaru Górno- śląskiego Zagłębia Węglowego. Publ. Inst. Geoph. Pol.

Acad. Sci., M-15, s. 1163—1182.

IDZIAKA.F., TEPERL., ZUBEREKW.M., SAGANG., DUBIELR., 1997: Mine tremor mechanisms used to estimate the stress field near the deep rooted fault in the Upper Silesian Coal Basin, Poland. In: Proc. 4th Int. Symp. On Rockbursts and Seismicity in Mines, Kraków. Eds. S.J. GIBOWICZ, S. LA- SOCKI. Rotterdam—Brookfield, Balkema, s. 31—37.

IDZIAK A.F., TEPER L., ZUBEREK W.M., 1999: Sejsmiczność a tektonika Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Katowi- ce, Uniwersytet Śląski, 98 s.

IDZIAKA.F., ZUBEREKW.M., 1995: Fractal analysis of mining induced seismicity in the Upper Silesian Coal Basin. In:

Mechanics of Jointed and Faulted Rocks — 2. Ed. H.P.

ROSSMANITH. Rotterdam—Brookfield, Balkema, s. 679—

682.

JANCZEWSKI E.W., 1955: Trzęsienie ziemi na Górnym Śląsku.

Arch. Górn. Hutn. 3, 2, s. 205—225.

JANCZEWSKI E.W., 1957: Sejsmiczna aktywność dyslokacji w podłożu karbonu górnośląskiego. Przegl. Geol., 6, s. 280—282.

JURAD., 1996: Young Alpine stress field in the Bytom — Kato- wice Plateau, Northern Part of the Upper Silesian Coal basin. In: Tectonophysics of mining areas. Ed. A. IDZIAK. Katowice, Uniwersytet Śląski, s. 29—40.

KIJKO A., 1985: Theoretical model for relationship between mining seismicity and excavation area. Acta Geoph. Pol., 33, s. 231—242.

KIJKO A., DRZĘŹLA B., MENDECKI A., 1985: Dlaczego rozkłady ekstremalnych zjawisk sejsmicznych w kopal- niach mają charakter bimodalny. Acta Montana, A(71), s. 225—244.

KIJKOA., DRZĘŹLA B., MENDECKI A., 1986: Bimodalny cha- rakter ekstremalnych rozkładów zjawisk sejsmicznych w ko- palniach. Publ. Inst. Geoph. Pol. Acad. Sci., M-8, s. 91—102.

KIJKOA., DRZĘŹLA B., STANKIEWICZ T., 1987: Bimodal cha- racter of extremal seismic events in Polish mines. Acta Geoph. Pol., 35, s. 1157—1168.

KOTASA., 1972: Ważniejsze cechy budowy geologicznej Gór- nośląskiego Zagłębia Węglowego na tle pozycji tektonicznej i budowy głębokiego podłoża utworów produktywnych. W:

Materiały Sympozjum nt. „Problemy geodynamiki i tą- pań I”. Kraków, PAN, s. 5—55.

KOWALCZYKZ., 1972: Badania ruchów tektonicznych na tere- nie Śląska metodami geodynamiki. W: Materiały Sympo- zjum nt. „Problemy geodynamiki i tąpań I”. Kraków, PAN, s. 114—125.

LASOCKIS., 1988: Rozkład energii wstrząsów górniczych z re- jonu eksploatacji. W: „Zeszyty Naukowe AGH”. Seria:

Górnictwo. Z. 141. Kraków, AGH, s. 131—140.

LASOCKI S., 1992: Weibull distribution for time intervals be- tween mining tremors. Publ. Inst. Geoph. Pol. Acad. Sci., M-16, s. 241—260.

LASOCKIS., IDZIAKA.F., 1998: Dominant directions of epicen- ter distribution of regional mining induced seismicity se- ries in Upper Silesian Coal Basin in Poland. Pageoph, 153, s. 21—40.

MARCAK H., 1985: Geofizyczne modele rozwoju procesu nisz- czenia górotworu poprzedzające tąpnięcia i wstrząsy w ko- palniach. Publ. Inst. Geoph. Pol. Acad. Sci., M-6, s. 149—173.

MCGARRA., 1984: Some application of seismic source mecha- nism studies to assessing underground hazard. In: Proc.

Ith Int. Symp. on Rockbursts and Seismicity in Mines. Eds.

P. GAY, R. WAINWRIGHT. Johannesburg, SAIMM Kelvin House, s. 45—50.

MUTKE G., STEC K., 1997: Seismicity in the Upper Silesian Coal Basin, Poland: Strong regional seismic events. In:

Proc. 4th Int. Symp. on Rockbursts and Seismicity in Mi- nes, Kraków. Eds. S.J. GIBOWICZ, S. LASOCKI. Rotter- dam—Brookfield, Balkema, s. 213—217.

PIERWOŁA J., 1998: Geologiczne uwarunkowania rozkładów energetycznych wstrząsów indukowanych działalnością górniczą na Górnym Śląsku. Sosnowiec, Uniwersytet Śląski, WNoZ [praca doktorska — niepublikowana].

PILECKA E., PIĄTKOWSKA A., STEC K., BUŁA Z., PILECKI Z., KRÓLM., 2006: Związek lineamentów z sejsmicznością in- dukowaną na terenach górniczych Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Kraków, Wyd. IGSMiE PAN, 125 s.

RYDERJ.A., 1988: Excess shear stress in the assesment geolo- gically hazardous situations. J. South Afr. Inst. Min. Met., 88, 1, s. 27—39.

SAGANG., TEPERL., ZUBEREKW.M., 1996: Tectonic analysis of the mine tremor mechanisms from the Upper Silesian Coal Basin. Pageoph., 147, s. 217—238.

STANKIEWICZ T., 1989: Stochastyczny model aktywności sej- smicznej i jego zastosowanie do oceny zagrożenia sejsmicz- nego w kopalniach. Warszawa, Instytut Geofizyki PAN [praca doktorska — niepublikowana].

STEC K., 1994: Wpływ parametrów mechanizmu ognisk wstrząsów górniczych na ocenę zagrożenia sejsmicznego w kopalniach węgla kamiennego. Katowice, Główny Insty- tut Górnictwa [praca doktorska — niepublikowana].

STECK., 2007: Characteristics of seismic activity of the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Geoph. J. Int., 168, s. 757—768.

SYREK B., KIJKO A., 1988: Energetyczno-częstotliwościowe rozkłady aktywności sejsmicznej i ich związek z zagroże- niem tąpaniami (na przykładzie wyrobisk ścianowych KWK Wujek). Publ. Inst. Geoph. Pol. Acad. Sci., M-10, s. 281—298.

TEISSEYRER., 1972: Badania sejsmologiczne w rejonach eks- ploatacji górniczej. W: Materiały Sympozjum nt. „Proble- my geodynamiki i tąpań”. Kraków, PAN, s. 56—74.

TEISSEYRER., 1983: Indukowana sejsmiczność i wstrząsy po- chodzenia eksploatacyjnego. W: Fizyka i ewolucja wnętrza Ziemi. 2. Warszawa, PWN, s. 254—260.

TEPERL., 1998: Wpływ nieciągłości podłoża karbonu na sej- smotektonikę północnej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Katowice, Uniwersytet Śląski.

12 1. Badania nad sejsmicznością w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym...

(15)

TEPER L., IDZIAK A.F., 1995: On fractal geometry in fault systems of the Upper Silesian Coal Basin — Poland. In:

Mechanics of Jointed and Faulted Rocks. 2. Ed. H.P. ROSS- MANITH. Rotterdam—Brookfield, Balkema, s. 329—333.

TEPERL., IDZIAKA.F., SAGANG., ZUBEREKW.M., 1992: New approach to the studies of the relations between tectonics and mining tremors occurrence on example of Upper Silesian Coal Basin (Poland). Acta Montana, A(88), s. 161—178.

WIEJACZP., ŁUGOWSKIA., 1997: Effects of geological and mi- ning structures upon mechanism of seismic event at Wujek coal mine. Katowice, Poland. In: Proc. 4 th Int. Symp. on Rockbursts and Seismicity in Mines, Kraków. Eds. S.J.

GIBOWICZ, S. LASOCKI. Rotterdam—Brookfield, Balkema, s. 27—30.

WIERZCHOWSKA Z., 1961: Przyczyny wstrząsów górotworu na Górnym Śląsku. Prace GIG, A, Komunikat nr 268.

WIERZCHOWSKAZ., ZNAŃSKI J., 1972: Pochodzenie wstrząsów górotworu w polskim zagłębiu węglowym. W: Materiały Sympozjum nt. „Problemy geodynamiki i tąpań”. 1. Kra- ków, PAN, s. 126—174.

ZUBEREKW.M., 1986: Możliwość wykorzystania asymptotycz- nych rozkładów wartości ekstremalnych do oceny prawdo- podobieństwa występowania wstrząsów indukowanych eksploatacją górniczą. W: „Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej”. Seria: Górnictwo. Z. 139. Gliwice, Politechnika Śląska, s. 243—254.

ZUBEREKW.M., 1993: Geofizyczne modele wstrząsów induko- wanych na powierzchni uskoku eksploatacją górniczą. W:

„Geologia”. T. 12/13. Red. Ł. KARWOWSKI. Katowice, Uni- wersytet Śląski, s. 231—254.

ZUBEREK W.M., TEPER L., IDZIAK A.F., SAGAN G., 1996:

Tectonophysical approach to the description of mining in- duced seismicity in the Upper Silesia. In: Tectonophysics of Mining Areas. Ed. A. IDZIAK. Katowice, Uniwersytet Śląski, s. 79—98.

ZUBEREKW.M., TEPERL., IDZIAKA.F., SAGANG., 1997: Seis- micity and tectonics in the Upper Silesian Coal Basin, Po- land. In: Proc. XIII Int. Congress of Carboniferous Permian, Kraków. Prace PIG, 157, s. 199—207.

Wacław M. Zuberek

1. Badania nad sejsmicznością w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym... 13

(16)

2.1. Wstęp

Geometria uskoku zmienia się w miarę jego wzrostu. Sukcesywne przyrosty zrzutu i długości w ciągu okresu aktywności uskoku realizują się za pośrednictwem kolejnych aktów poślizgu na po- wierzchni uskokowej, występujących w czasie poje- dynczych wydarzeń sejsmicznych. W przypadku uskoku idealnego średnia wielkość poślizgu w cza- sie pojedynczego wstrząsu jest wprost proporcjo- nalna do wielkości powierzchni, na której poślizg nastąpił (TEPER, 1998).

Odstępstwa od takiej zależności, obserwowane w przypadkach empirycznych, należy wiązać z za- chowaniami podatnymi górotworu niszczonego przez uskok. Rzetelna analiza geometrii powierzch- ni uskokowej powinna zatem umożliwić poznanie sposobu wzrostu uskoku w ośrodku skalnym oraz zachowań samego ośrodka skalnego w czasie de- formacji.

Najwierniejsze odwzorowanie geometrii uskoku uzyskuje się, wykonując jego prostokątną projekcję, przechodzącą przez bieg powierzchni uskokowej (rys. 2.1), czyli tzw. diagram konturowy zrzutu uskoku (RIPPON, 1985; BARNETTi in., 1987; WALSH, WATERSON, 1990; NICOL i in., 1995; LISEK, TEPER, 2004). Projekcja taka pozwala na oznaczenie roz- miarowych parametrów uskoku, takich jak maksy- malna (rzeczywista) długość i maksymalna wartość zrzutu. Umożliwia również wykonanie operacji za- pewniających prześledzenie systematycznych zmian wielkości przemieszczenia na powierzchni uskoko- wej — przedstawienie profilu przemieszczenia oraz obliczenie gradientów przemieszczenia wzdłuż do- wolnego przekroju powierzchni uskokowej (RIPPON, 1985; BARNETT i in., 1987; WALSH, WATTERSON, 1988a, 1988b, 1989; MARRET, ALLMENDINGER, 1991;

CHILDS i in., 2003; BAILEY i in., 2005; TEPER, LISEK, 2006). Dzięki tej metodzie odwzorowania łatwym zadaniem jest też oznaczenie eliptyczności uskoku — parametru, który pozwala na porówna- nie badanego uskoku z uskokami modelowymi (idealnymi), powstającymi w różnych reżimach de- formacji, w ośrodkach skalnych różniących się wartością podatności (WALSH, WATERSON, 1989).

Analiza zmienności przemieszczenia na uskoku uzupełniona obliczeniem wartości eliptyczności powierzchni uskokowej umożliwia scharakteryzo- wanie zachowania się deformowanego ośrodka skalnego jako bardziej lub mniej podatne.

We wcześniejszych opracowaniach sejsmotekto- nicznych GZW (TEPER, 1998; IDZIAK i in., 1999) zwrócono uwagę na nielosowy rozkład silnych wstrząsów w zagłębiu, polegający na skupianiu się ich ognisk w ograniczonych obszarach, oddzielo- nych obszarami asejsmicznymi. Stan naprężeń in- terpretowany na podstawie badania mechanizmów wstrząsów wysokoenergetycznych współcześnie re- jestrowanych w GZW i układ odkształceń górotwo- ru uformowany w najmłodszym etapie deformacji obszaru zagłębia, postulowany na podstawie badań tektoniki, cechuje wzajemne podobieństwo.

W szczególności kierunki i zwroty przemieszczeń względnych na płaszczyznach poślizgu, oznaczane dla populacji wstrząsów w wyróżnionych strefach o podwyższonej aktywności sejsmicznej, są zgodne z kierunkami i zwrotami transportu tektonicznego w tych strefach, przewidywanymi w modelu struk- turalnym. Wniosek ten nie pozwala wykluczyć za- angażowania sieci uskokowej, tnącej górotwór kar- boński, w procesy wyzwalania energii sejsmicznej.

Zróżnicowane zachowanie się deformowanego gó- rotworu w różnych częściach stref o podwyższonej aktywności powinno zaś skutkować odmiennymi charakterystykami zagrożenia sejsmicznego. Z tych

2. Przestrzenna zmienność warunków deformacji górotworu w rejonie siodła głównego

wyznaczona na podstawie badań geometrii uskoków

(17)

powodów, w celu uściślenia genezy i charaktery- styki zagrożenia sejsmicznego w GZW, wdrożono prezentowaną metodę badania geometrii uskoków.

Restrykcyjne wymagania w stosunku do usko- ków nadających się do opisywanej analizy oraz żmudność i czasochłonność procedury zbierania danych sprawiły, że badania wykonano w jednej ze stref o podwyższonej aktywności sejsmicznej — w obszarze siodła głównego. Jako obszar o naj- większej aktywności sejsmicznej wart był on opra- cowania z kilku dodatkowych powodów. Jest bo- wiem częścią GZW o dużej gęstości i różnorodno- ści dobrze udokumentowanej sieci uskokowej, na tle sąsiadujących partii górotworu stanowi wyraźną strefę obniżonej prędkości fali S, wyodrębnioną metodami pasywnej tomografii sejsmicznej, oraz rejonem, w którym z pomocą precyzyjnych metod geodezyjnych i zdalnych metod obserwacji rejestru- je się współcześnie największe w zagłębiu pionowe i poziome przemieszczenia powierzchni terenu (por. inne rozdziały niniejszej pracy).

2.2. Metodyka badań

Z podstawowych map kopalnianych zebrano wszystkie dane o uskokach stwierdzonych robotami górniczymi w OG „Halemba I” i „Halemba II”, eksploatowanych przez KWK „Halemba-Wirek”, należącą do Kompanii Węglowej S.A., w OG

„Ruda Śląska — Radoszowy”, będącym polem ma- cierzystym KWK „Wujek” — Ruch Śląsk, OG

„Katowice — Brynów” — polu macierzystym KWK „Wujek” — Ruch Wujek oraz OG „Giszo- wiec” zagospodarowanym przez KWK „Staszic”, należących do Katowickiego Holdingu Węglowego.

Do określenia trójwymiarowej geometrii, a więc zróżnicowania parametrów rozmiarowych wraz z głębokością, przydatne są uskoki stwierdzone w wyrobiskach w kilku poziomach (najlepiej eks- ploatacyjnych). Z tego też względu z analizy wyłączono uskoki z OG „Panewniki” oraz OG

„Stara Ligota”, stanowiących pola południowe KWK „Wujek” (odpowiednio — Ruch „Śląsk”

i Ruch „Wujek”). Prowadzona tam eksploatacja jak dotąd ma miejsce w jednym pokładzie, w drugim zaś wykonywane są prace udostępniające. Dokład- nym badaniom poddano uskoki stwierdzone przy- najmniej w trzech poziomach eksploatacyjnych (obecność uskoku w dwóch poziomach, przy jego braku w sąsiednich, to także przesłanka przydatno- ści uskoku do analizy). Dla uskoków uwzględnio- nych w analizie stworzono katalogi zawierające in- formacje o przestrzennym rozmieszczeniu punktów

pomiaru wartości zrzutu w układzie współrzędnych xyz oraz długości uskoku, w poziomach, na których powierzchnia uskokowa została udostępniona robo- tami górniczymi. Próby włączenia do analizy du- żych uskoków, występujących na obszarach dwóch kopalń, nie zawsze były udane, dlatego kilka du- żych uskoków pominięto.

Kompletny zbiór badanych struktur prezentuje tabela 2.1. Starano się zachować nazwy uskoków używane na podstawowych mapach górniczych lub w niewielkim stopniu je zmodyfikować, w celu ich łatwiejszej regionalnej identyfikacji (np. uskok:

brynowski Wujek, Arkona-Wujek, południowy Sta- szic, równoleżnikowy Staszic oraz Wesoła-Staszic i uskok I Halemba-Pokój, uskok II Halemba-Pokój, uskok III Halemba-Pokój-Polska-Wirek, uskok IV Halemba-Polska-Wirek). Ponieważ wiele mniej- szych struktur nie miało nazw, ustalono je, uży- wając kolejnych liter alfabetu lub cyfr i nazwy ko- palni (np. uskok L Wujek).

Na rys. 2.1 zaprezentowano różne sposoby od- wzorowania powierzchni uskokowej. Przypadek 1d to projekcja idealnego uskoku, która przedstawia w trzech wymiarach geometrię powierzchni usko- kowej wzdłuż kierunku biegu uskoku. Zróżnicowa- nie przemieszczenia na powierzchni uskokowej jest zilustrowane za pomocą współśrodkowo ułożonych izolinii zrzutu (elips) i linii zerowego przemiesz- czenia (skrajnie zewnętrznej elipsy), wyobrażającej miejsca, w których uskok wygasa w górotworze.

Korzystając z katalogu danych pomiarowych (wartości zrzutu i długości uskoku w poszczegól- nych pokładach) zebranych z materiałów kopalnia- nych i posługując się zasadami interpolacji oraz ekstrapolacji, wykonano diagramy konturowe zrzu- tu dla każdego z uskoków zestawionych w tabe- li 2.1. Na diagramach zaznaczono obie osie główne

— prostopadłe do siebie i przechodzące przez punkt maksymalnego zrzutu, z których dłuższa re- prezentuje maksymalną długość uskoku (por. rys.

2.2, 2.4, 2.6, 2.8 i 2.10).

Dla wszystkich analizowanych struktur spo- rządzono profile przedstawiające zróżnicowanie wartości przemieszczenia uskokowego wzdłuż dłuż- szej osi diagramu konturowego (rys. 2.3, 2.5, 2.7, 2.9 i 2.11). Poza takim rozkładem przemieszczenia rzeczywistego, na każdym profilu umieszczono wy- kres teoretycznego rozkładu przemieszczenia usko- kowego, skonstruowany w taki sposób, by był krzywą wklęsłą, reprezentującą funkcję mającą ciągłą pierwszą pochodną i stanowiącą obwiednię profilu przemieszczenia rzeczywistego. Taki profil teoretyczny ilustruje zróżnicowanie przemieszcze- nia na uskoku o pomierzonych parametrach rozmia- rowych, przy założeniu idealnie kruchego zachowa- nia się ośrodka skalnego w czasie deformacji.

2.2. Metodyka badań 15

(18)

16 2. Przestrzenna zmienność warunków deformacji górotworu w rejonie siodła głównego wyznaczona...

Tabela 2.1. Parametry rozmiarowe i eliptyczność uskoków rejonu siodła głównego poddanych analizie

Lp. Nazwa uskoku

Długość struktury (długość dłuższej osi)

[m]

Długość krótszej osi

[m] Eliptyczność Numer

obszaru

1. I Halemba-Pokój 6 620,0 3 320,0 1,99 I

2. II Halemba-Pokój 6 200,0 1 880,0 3,30 I

3. III Halemba-Pokój-Polska-Wirek 6 900,0 2 300,0 3,00 II

4. IV Halemba-Polska-Wirek 5 380,0 2 240,0 2,40 II

5. nasunięcie Halemba 4 900,0 2 290,0 2,14 I, II

6. A Halemba 850,0 245,0 3,47 I

7. B Halemba 731,0 281,5 2,60 I

8. C Halemba 2 162,0 705,0 3,07 II

9. D Halemba 2 718,0 708,0 3,84 I

10. F Halemba 903,0 283,8 3,18 I

11. G Halemba 1 800,0 591,7 3,04 II

12. H Halemba 665,0 270,0 2,46 II

13. I Halemba 1 130,0 410,0 2,76 II

14. 1 Halemba 1 668,2 1 236,4 1,35 III

15. 2 Halemba 611,2 380,8 1,61 III

16. 3 Halemba 1 168,5 912,0 1,28 III

17. J Śląsk 1 385,0 465,0 2,98 IV

18. K Śląsk 1 350,0 310,0 4,35 IV

19. L Śląsk 1 420,0 410,0 3,46 IV

20. M Śląsk 1 325,0 560,0 2,37 II

21. N Śląsk 2 230,0 1 000,0 2,23 II

22. O Śląsk 2 600,0 850,0 3,06 II

23. R Śląsk 322,5 87,5 3,69 II

24. T Wujek 426,25 137,5 3,10 V

25. U Wujek 730,0 240,0 3,04 V

26. W Wujek 995,0 247,5 4,02 V

27. X Wujek 625,0 285,0 2,19 V

28. Y Wujek 1 535,0 650,0 2,36 V

29. Z Wujek 287,5 97,5 2,95 V

30. A Wujek 104,0 71,0 1,46 V

31. B Wujek 268,0 58,0 4,62 V

32. C Wujek 550,0 215,0 2,56 V

33. D Wujek 675,0 205,0 3,29 V

34. E Wujek 255,0 106,0 2,41 V

35. F Wujek 1 060,0 537,5 1,97 V

36. Arkona-Wujek 3 900,0 1 750,0 2,23 V

37. brynowski Wujek 3 670,0 1 070,0 3,43 V

38. południkowy Staszic 1 647,0 800,0 2,06 VI

39. równoleżnikowy Staszic 2 423,1 669,2 3,62 VI

40. Wesoła-Staszic 5 105,7 840,0 6,08 VI

41. 1 Staszic 446,0 377,0 1,18 VII

42. 2 Staszic 564,0 421,0 1,34 VII

43. 3 Staszic 889,0 547,0 1,63 VII

44. 4 Staszic 624,0 303,0 2,06 VII

W ostatniej kolumnie wskazano położenie uskoków w obszarach wyodrębnionych na podstawie analizy eliptyczności (por. rys. 2.13 i 2.14).

(19)

Projekcja uskoku posłużyła również do oznacze- nia eliptyczności każdego uskoku (por. tabela 2.1), którą obliczono jako stosunek długości głównych osi diagramu konturowego (dłuższej do krótszej).

Eliptyczność oraz odstępstwo rzeczywistego profilu przemieszczenia od obwiedni takiego profilu są wyznacznikami podatności górotworu w okresie deformacji i pozwalają odróżnić uskoki typu kru- chego od uskoków typu podatnego.

Zaobserwowano, że uskoki w poszczególnych partiach badanego górotworu znacząco różnią się eliptycznością i kształtem krzywych przemieszcze- nia na swej powierzchni. Dokonano więc próby po- działu rejonu badań na mniejsze obszary. Kryte- rium wyodrębnienia każdego z takich obszarów były podobne wartości eliptyczności, obliczone dla grupujących się w nim pojedynczych uskoków.

Istotną odmienność wartości eliptyczności określa- no, korzystając z krzywej osuwiska, granice między wyodrębnianymi obszarami przeprowadzano zaś w połowie odległości między uskokami o eliptycz- ności istotnie odmiennej lub wzdłuż linii dużych uskoków, dla których nie udało się sporządzić dia- gramów konturowych i profilu przemieszczenia ani obliczyć eliptyczności (z powodu niedostatecznej liczby danych wyjściowych).

Metodykę wyznaczania eliptyczności przypisy- wanej wycinkowi górotworu pociętemu zespołem uskoków opracowali J.J. WALSH i J. WATTERSON

(1989). Jest ona odmienna od sposobu obliczania eliptyczności pojedynczej struktury. Wiąże się z koniecznością obliczenia gradientów przemiesz- czenia uskokowego na powierzchni uskokowej.

Gradientem przemieszczenia nazywamy stosunek

wartości bezwzględnej różnicy przemieszczenia do długości odcinka, na jakim to przemieszczenie wystąpiło. Stosunek maksymalnego przemieszcze- nia do promienia uskoku (por. rys. 2.1d) nosi na- zwę wielkiego gradientu przemieszczenia. Uskoki,

2.2. Metodyka badań 17

MD

R 0 1 2 3 b a

c d

Rys. 2.1. Idealnie eliptyczna powierzchnia uskoku przedstawiona w różnych projekcjach (wg WALSH, WATTERSON, 1990, zmodyfiko- wany):

a— blok skalny przecięty idealnie eliptyczną powierzchnią uskoku, b — rzut powierzchni uskoku na mapę, c — przekrój poprzeczny, d — pro- stokątna projekcja uskoku przechodząca przez bieg powierzchni uskokowej z zaznaczonymi osiami głównymi elipsy oraz izoliniami przemieszczenia, gdzie MD oznacza maksymalne przemieszczenie w centrum struktury, a R — promień uskoku

0

–100

–200

–300

–400

–500

–600

–700

–800

d³ugoœæ [m]

g³êbokoœæ[m]

3,2 4,0 2,4

1,6 0,8

0 100 200 300 400 500

0,0

Rys. 2.2. Diagram konturowy zrzutu dla uskoku 2 Halemba z zaznaczonymi osiami głównymi

3 — Geneza...

(20)

których profil zrzutu nie jest symetryczny, są cha- rakteryzowane przez dwie wartości wielkiego gra- dientu przemieszczenia. Dwie wartości otrzymuje się również podczas wyznaczania gradientów wzdłuż krótszej osi głównej diagramu konturowe- go zrzutu uskoku o asymetrycznym profilu prze- mieszczenia. Należy obliczyć gradienty przemiesz- czenia wzdłuż osi głównych diagramu konturowe- go dla uskoków występujących w wyodrębnionym obszarze oraz przedstawić na wykresie bilogaryt- micznym zależność między gradientami (wielkimi) obliczonymi wzdłuż osi dłuższej a gradientami ob-

liczonymi wzdłuż osi krótszej. Wartość eliptyczno- ści charakterystyczna dla określonego obszaru (por.

rys. 2.12) zostaje wyznaczona na wykresie w spo- sób geometryczny, jako linia skierowana pod kątem 45° do osi OX, dzieląca symetrycznie zbiór punktów reprezentujących badane zależności mię- dzy gradientami.

18 2. Przestrzenna zmienność warunków deformacji górotworu w rejonie siodła głównego wyznaczona...

0 1 2 3 4 5 6 7

0 100 200 300 400 500 600 700

d³ugoœæ [m]

wartoϾzrzutu[m]

Rys. 2.3. Profil wielkości zrzutu uskoku 2 Halemba, dla którego wartość eliptyczności wynosi 1,61:

linia czarna — rzeczywisty profil zrzutu; linia czerwona — obwiednia, tożsama z profilem zrzutu wykreślonym według teoretycznego modelu wzro- stu uskoku

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000

0,0

–200

–400

–600

–800

–1 000

–1 200 +200 +400 +600 +800

30

30 25

25

20 15

10

5 0,0

d³ugoœæ [m]

g³êbokoœæ[m]

Rys. 2.4. Diagram konturowy zrzutu dla uskoku Arkona-Wujek z zaznaczonymi osiami głównymi

(21)

2.2. Metodyka badań 19

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500

d³ugoœæ [m]

wielkoϾzrzutu[m]

Rys. 2.5. Profil wielkości zrzutu uskoku Arkona-Wujek, dla którego wartość eliptyczności wynosi 2,23. Objaśnienia jak na rys. 2.3

10

0,0 +400

–400

–800

–1 200

g³êbokoœæ[m]

0,0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000

d³ugoœæ [m]

10 20

0,0 20

30

40

Rys. 2.6. Diagram konturowy zrzutu dla uskoku II Halemba-Pokój z zaznaczonymi osiami głównymi

0 10 20 30 40 50 60

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000

d³ugoœæ [m]

wielkoϾzrzutu[m]

Rys. 2.7. Profil wielkości zrzutu uskoku II Halemba-Pokój, dla którego wartość eliptyczności wynosi 3,3. Objaśnienia jak na rys. 2.3

3*

(22)

20 2. Przestrzenna zmienność warunków deformacji górotworu w rejonie siodła głównego wyznaczona...

0,0 1,0

2,0 3,0 4

2,0

1,0 2,0

3,0 –100

–200

–300

–400

–500

–600

g³êbokoœæ[m]

0,0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400

d³ugoœæ [m]

Rys. 2.8. Diagram konturowy zrzutu dla uskoku L Śląsk z zaznaczonymi osiami głównymi

0 1 2 3 4 5 6 7

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600

d³ugoœæ uskoku [m]

wielkoϾzrzutu[m]

Rys. 2.9. Profil wielkości zrzutu uskoku L Śląsk, dla którego wartość eliptyczności wynosi 3,46. Objaśnienia jak na rys. 2.3

0,0

–400

–800

0 800 1 600 2 400 3 200 4 000 4 800

0,0 5

10 15

20 25 30 5

10

1510 15 20

2025

2530 20 20 25

d³ugoœæ [m]

g³êbokoœæ

[m]

Rys. 2.10. Diagram konturowy zrzutu dla uskoku Wesoła-Staszic z zaznaczonymi osiami głównymi

(23)

2.3. Omówienie wyników

Do zilustrowania zróżnicowania geometrii po- wierzchni uskokowych w populacji 44 struktur ana- lizowanych w obszarze badań wytypowano pięć przykładów, reprezentujących uskoki powstające w różnych warunkach deformacji, w partiach góro- tworu, które różniły się podatnością. Cechy geome- trii wybranych powierzchni uskokowych zobrazo- wano za pomocą diagramów konturowych zrzutu (rys. 2.2, 2.4, 2.6, 2.8 i 2.10) i wykonanych na ich podstawie profili przemieszczenia wzdłuż dłuż- szych osi głównych (rys. 2.3, 2.5, 2.7, 2.9 i 2.11).

Wykresy profili przemieszczenia uzupełniono in- formacją o obliczonych wartościach eliptyczności uskoków.

Jak można zauważyć, profile przemieszczenia dla uskoków o niskiej eliptyczności stanowią krzy- we o jednym maksimum, a ich przebieg jest w małym stopniu zaburzony. Ze wzrostem eliptycz- ności powierzchni uskokowej przebieg linii profilu przemieszczenia staje się coraz bardziej skompliko- wany. Co więcej, szeregując uskoki według rosnącej wartości eliptyczności, odnotowano rosnące odstępstwo przebiegu profilu rzeczywiste- go od teoretycznego rozkładu przemieszczenia uskokowego. Czytelnikowi, oceniającemu tę relację wyłącznie na podstawie porównania prezentowa- nych rysunków, warto zwrócić uwagę na to, że ze względów technicznych projekcje uskoków zostały przedstawione w różnych skalach. Analizowane uskoki w sposób istotny różnią się rozmiarami. Za-

prezentowanie ich diagramów i profili w jednej skali nie byłoby celowe, spowodowałoby bowiem brak czytelności i utratę części informacji dla mniejszych struktur (albo wymagałoby dołączenia wielkoformatowych ilustracji przedstawiających geometrię uskoków dużych).

Jak już wspomniano, każdy z profili teoretycz- nych wyobraża zróżnicowanie przemieszczenia na idealnym uskoku typu kruchego o pomierzonych parametrach rozmiarowych. Im większe odnotowa- ne odstępstwo rzeczywistego profilu przemieszcze- nia od profilu teoretycznego (potwierdzone wyższą wartością obliczonej eliptyczności uskoku), tym większa skłonność ośrodka skalnego w sąsiedztwie wzrastającego uskoku do zachowań podatnych. Ce- chy uskoku typu podatnego na ogół są charaktery- styczne dla szeregów kulisowych i uskoków zło- żonych, mających kilka centrów wzrostu (lokalnych maksimów zrzutu na diagramach i profilach).

Prawdopodobnie jest to związane ze szczególną skłonnością górotworu do podatnych zachowań w miejscach położonych między członami szeregu kulisowego lub w miejscach połączeń segmentów uskoku złożonego.

Żaden z badanych uskoków nie jest scharaktery- zowany symetrycznym diagramem zrzutu i profi- lem przemieszczenia. Na wykresach wykonanych w celu wyznaczenia eliptyczności charakterystycz- nej dla obszarów wyodrębnionych w trakcie analizy (rys. 2.12) każdy z uskoków jest zatem reprezento- wany przez cztery punkty. Wartości eliptyczności wyznaczone dla poszczególnych obszarów (I—VII) są w znacznym stopniu zróżnicowane. Zostały na-

2.3. Omówienie wyników 21

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0,00 1 000,00 2 000,00 3 000,00 4 000,00 5 000,00 6 000,00

d³ugoœæ [m]

wielkoϾzrzutu[m]

Rys. 2.11. Profil wielkości zrzutu uskoku Wesoła-Staszic, dla którego wartość eliptyczności wynosi 6,08. Objaśnienia jak na rys. 2.3

Obraz

Updating...

Cytaty

Powiązane tematy :