Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В качестве основных на 2019-20 гг. в проекте были сформулированы следующие задачи: 1. Изучение факторов и механизмов, определяющих влияние подземных и наземных горных работ на динамику подземных вод и свойства проницаемых пластов-коллекторов. 2. Исследование вариаций эффективных характеристик разломных зон под действием массовых взрывов и их связь с процессами инициирования или подавления эпизодов динамического скольжения по разлому. 3. Отработка новых методов локации гипоцентров слабых сейсмических событий, инициированных в разломных зонах горными работами, и исследование параметров их очагов. В рамках решения этих задач в отчетном году выполнены работы согласно плану 2019 года и получены следующие основные результаты. Рассмотрены основные проблемы гидрологического характера, связанные с разработкой Коробковского железорудного месторождения КМА. Для обоснованного выбора участков локализации измерений и расположения наблюдательных скважин в районе были обобщены и проанализированы имеющиеся сведения по гидрогеологическим условиям района расположения шахты им. Губкина «Комбината КМАруда». Проанализировано распространение основных водоносных горизонтов, оценена их водообильность, положение водоупоров. Для проведения инструментальных наблюдений выбран участок на границе разработки двух месторождений Курской Магнитной Аномалии: Коробковского и Лебединского. Выполнены геофизические исследования скважин, которые позволили уточнить геологический разрез, конструкцию и их техническое состояние. На выбранном участке организованы пункты сейсмических, гидрогеологических и метеонаблюдений. Выбранные скважины оборудованы датчиками уровня, у оголовка скважин установлен трехкомпонентный сейсмометр. В результате первых синхронных измерений уровня воды в скважинах и сейсмических колебаний на поверхности получены их основные амплитудные и спектральные характеристики, выделен ряд преобладающих частот для разных взрывов. Кроме того, для сопоставления действия на насыщенный коллектор сейсмических волн от взрывов и от землетрясений, продолжены аналогичные наблюдения на территории геофизической обсерватории ИДГ РАН «Михнево». Проведено гидрогеологическое обследование разломной зоны, на которой ведутся сейсмоакустические и деформографические наблюдения на горизонте -125 м (300 м ниже свободной поверхности). В качестве одного из основных индикаторов процесса деформирования разломной зоны “in situ” в проекте используются результаты регистрации слабых сейсмических событий до и после действия массовых взрывов. Для развития подходов к интерпретации наблюдательного материала, в рамках проекта проводятся лабораторные исследования характеристик акустических импульсов, излучаемых при деформировании модельного разлома с пространственно гетерогенной структурой. Лабораторные эксперименты выполнялись на геомеханическом стенде ИДГ РАН в постановке слайдер-модели. В экспериментах с высокой точностью контролировались прикладываемые усилия, перемещения блока относительно основания и упругие колебания (акустическая эмиссия), излучаемые в процессе деформирования лабораторного разлома. В ходе лабораторных экспериментов по исследованию характеристик акустических импульсов, излучаемых при деформировании модельного разлома с пространственно- гетерогенной структурой, в 2019 году была разработана методика выявления кластеризации событий и исследованы особенности излучения импульсов в зонах, характеризующихся свойствами скоростного разупрочнения/упрочения. Анализ результатов лабораторных экспериментов показал, что распределения сигналов AЭ по энергии, амплитуде и интервалу между событиями имеют схожие параметры, сочетая в себе степенной спад в области малых значений и дельтаобразный пик в области высоких значений энергии/амплитуды/времени. Распределение сигналов AЭ по параметру волновой формы (WI) указывает на две характерные области: WI<(=)0.1 и WI >0.1. Для первой области (импульсы с резким вступлением) характерно равномерное распределение, а для второй (события с плавным вступлением) присущ степенной закон (наклон последнего графика характеризуется параметром w-value). Существенное отличие распределений указывает на необходимость рассмотрения параметра WI как независимой характеристики внутренних процессов. Разработанная методика основана на использовании в качестве характеристик модельного разлома как амплитудного параметра b¬-value, так и упомянутого выше параметра w-value. Совместный анализ двух характеристик в полной мере позволяет характеризовать неоднородность структуры разлома. В ходе лабораторных работ с изменением структуры разлома показано, что характер изменения b-value и w-value связан с режимом скольжения разлома. Так, при трансформации режима скольжения от стик-слипа к крипу (кварцевый песок и глина в качестве заполнителя) наблюдается монотонный рост обоих параметров: b-value увеличивается с 0.89 для кварцевого песка до 1.15 для 30%-ной смеси с глиной, w-value монотонно увеличивается с 1.15 до 1.51. А в серии экспериментов с кварцевым песком и стеклянными шариками, когда режим прерывистого скольжения сохраняется, увеличение доли шариков (и соответственно увеличение амплитуды событий) приводит к монотонному увеличению параметра b-value, и монотонному снижению w-value. Полевые сейсмические наблюдения велись в районе смыкания Главной и Стретенской залежей Коробковского месторождения (Курская Магнитная Аномалия). Измерительная система была модифицирована по сравнению с работами прошлых лет. До и после проведения массовых взрывов в шахте им.Губкина и на Лебединском карьере велась синхронная регистрация сейсмическими малоапертурными группами, расположенными на свободной поверхности и в глубине массива. Анализ распределения выделенных сейсмических событий во времени показал, что после взрыва кумулятивное число событий резко возрастает с постепенным последующим затуханием. При этом оценки параметров графика повторяемости указывают на стабильность состояния массива горных пород в изучаемой области. Отметим, что наклон графика повторяемости (аналог b-value) по данным, зарегистрированным в шахте, составляет b=1.44. В течение предыдущих этапов выполнения проекта в 2016–2018 гг, значение наклона графика повторяемости достаточно стабильно держалось на уровне значения b=0.83. Учитывая неизменную чувствительность используемой системы регистрации, разница в значениях наклона графиков повторяемости указывает на наличие меньшего количества слабых событий в 2018 году. Изменение этого параметра можно использовать для мониторинга напряженного состояния массива. В ходе анализа очаговых параметров большого количества слабых сейсмических событий отработана методика их классификации. Классификация отработана для событий, спектры которых можно аппроксимировать с помощью модели Брюна. Проведена оценка кинематических параметров событий – времени нарастания и длительности сейсмических сигналов, которые использовались для оценки параметра волной формы. Применение метода кросс-корреляции компонент сейсмического шума позволило оценить жесткость центральной части обследуемой разломной зоны в шахте k~4.6 МПа/мм. Оценки резонансных свойств поверхностного слоя массива методом ANHVSR продемонстрировали наличие доминирующего пика спектрального отношения на частоте 0.8 Гц, что примерно соответствует толщине слоя h = Vs/4f ~ 500 м. Анализ вариаций величины отношения спектров горизонтальных и вертикальных компонент при воздействии сейсмических колебаний от удаленных сейсмических событий продемонстрировал регулярные различия в амплитудах и доминирующего и побочных пиков до и после воздействий всех типов. При помощи метода функции приемника (receiver function) по данным сейсмических наблюдений на стационарном пункте построен предварительный скоростной разрез обследуемой области (глубина устойчивого моделирования не более 3–4 км). На разрезе выделяются границы залегания рудного тела (кровля порядка 200–220 м, подошва порядка 480–500 м от дневной поверхности). Разрез характеризуется, в целом, градиентным повышением сейсмических скоростей с ростом глубины (Vs порядка 3.8–4.4 км/с в консолидированной коре) и будет уточняться.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на решение научной проблемы снижения риска возникновения землетрясений, инициированных техногенной деятельностью и уменьшение ущерба от этих событий. В 2020 году выполнены все запланированные работы и получены следующие основные результаты. На двух площадках, расположенных в сейсмически спокойном регионе (ГФО ИДГ РАН «Михнево», Московская область) и в районе повышенной техногенной нагрузки (район горных разработок Коробковского и Лебединского месторождений Курско-магнитной аномалии, г. Губкин, Белгородская область) продолжалась непрерывная синхронная регистрация сейсмических, гидрогеологических и барометрических данных. Выполнено обобщение результатов стационарных измерений эффективных характеристик водовмещающих коллекторов и результатов наблюдений за динамикой подземных вод при сейсмических колебаниях от массовых взрывов и землетрясений. Впервые в России применена инновационная методика оценки проницаемости пород по величине отношения значений амплитуд приливов, выделенных в колебаниях уровня подземных вод, к теоретически рассчитанным величинам. Установлены амплитуды приливного отклика различных напорных и безнапорных водоносных горизонтов (0,05-1 мм/нанострейн). Отмечены различия в интенсивности проявления приливных волн разного типа (полусуточная волна лунного типа М2 , суточная волна лунно-солнечного типа К1 и др.) в различных водоносных горизонтах, что связано, в том числе, с техногенно-нарушенным режимом и степенью вскрытия обводненной толщи. Для обеих площадок наблюдений прослежена не описанная ранее закономерность: с увеличением периода полусуточной приливной волны (с 11.97 час до 12.66 час) амплитудный отклик (отношение амплитуд приливных волн, выделенных в уровне и объемной деформации коллектора) уменьшается, а с увеличением периода суточной приливной волны (с 23.93 до 26.87) напротив, возрастает. Эти вариации весьма значительны (~0,5 мм/нанострейн) и далеко выходят за пределы погрешности измерений. Результаты измерений продемонстрировали эффект опережения реакции водонасыщенных коллекторов трещинно-порового типа относительно смещения грунта на поверхности при воздействии взрывов. Для коллектора порового типа такой эффект не наблюдается. «Опережение», вероятно, связано с распространением импульса напряжений в обводненной толще пород, простирающейся над взрывными камерами, которая могла сыграть роль волновода. Отмечено, также, асинхронное вступление (до 0,3 с) откликов уровня в разных горизонтах. При этом величина и даже знак (опережение/запаздывание) реакции коллекторов зависит от места проведения взрыва. Показано, что тектонические нарушения оказывают значительное влияние на изменение гидрогеологической обстановки при воздействии взрывов. Была, также, продолжена серия лабораторных экспериментов на геомеханическом стенде ИДГ РАН в постановке слайдер-модели. Основной задачей экспериментов в 2020 году являлось исследование закономерностей подготовки динамических событий и взаимодействия модельного разлома с упругими колебаниями, инициирующие динамические подвижки. В экспериментах с высокой точностью контролировались прикладываемые усилия, перемещения блока относительно основания и упругие колебания (акустическая эмиссия), излучаемые в процессе деформирования лабораторного разлома. По разработанной ранее методике кластеризации событий исследованы особенности излучения импульсов в зонах, характеризующихся свойствами скоростного разупрочнения/упрочения. Удалось выделить два класса событий: сигналы с резким вступлением и тремороподобные сигналы без явного вступления. Оценка скейлинговых параметров выявленных классов событий позволила проследить подготовку динамических событий; как для регулярного прерывистого скольжения, так и для нерегулярного режима скольжения, когда динамические события происходят случайно. Один из параметров, определяющих готовность разлома к динамическому срыву, - это параметр распределения Гуттенберга-Рихтера (b-value). Если динамический срыв происходит в процессе «естественной эволюции» НДС разлома, то перед возникновением неустойчивости наблюдается резкое снижение величины параметра b-value тремороподобных сигналов. Если же срыв инициирован внешним воздействием, то снижения b-value перед срывом может не наблюдаться. Другим чувствительным параметром, реагирующим на готовность разлома к динамическому срыву, является спектральный центроид сейсмоакустических сигналов. Значительное снижение этого параметра перед динамическим срывом характерно как для «эволюционных» динамических срывов, так и для событий, инициированных внешним воздействием. https://rg.ru/2020/08/18/kak-usmirit-zemletriasenie.html https://www.poisknews.ru/themes/physics/zemletryasenie-v-laboratorii-priblizilo-fizikov-k-upravleniyu-stihiej https://naked-science.ru/article/column/fiziki-ustroili-zemletryasenie-v-laboratorii-chto-priblizilo-nauku-k-upravleniyu-stihiej На основе результатов лабораторных экспериментов и анализа данных натурных наблюдений установлены критерии реализации различных режимов скольжения разломов. Показано, что инициирование динамического срыва происходит на участке разлома, выполненного материалом, обладающем при данных P-T, свойством скоростного разупрочнения – снижением эффективного коэффициента трения с ростом скорости скольжения. При пассивном сейсмическом мониторинге этого участка разлома можно ожидать сейсмоакустические сигналы с параметрами, характерными для динамических микросрывов с высокими значениями приведенной сейсмической энергии. При малых значениях отношения излученной энергии к сейсмическому моменту вероятность возникновения крупного сейсмического события низка. В 2020 году продолжались сейсмические измерения в шахте им. Губкина АО "Комбинат КМАруда" на горизонте -125 м (глубина ~300 м от свободной поверхности). Место расположения измерительных точек для проведения сейсмических наблюдений выбрано в окрестности зоны тектонических нарушений общей мощностью около 100 м. Мониторинг сейсмических событий проводился в дни проведения взрывов. Измерения проводились акселерометрами Bruel&Kjaer 8306 с рабочей полосой частот 0.08 – 1000 Гц. с частотой опроса 10 кГц. Чувствительность измерительного канала составляла 7.8 мкм•с2/отсчет. Стандартная методика детектирования сигналов STA/LTA показала много ложных срабатываний из-за наличия техногенных помех, поэтому применялась методика выделения, основанная на анализе спектральных характеристик. В качестве параметра для детектирования использовалась сумма спектров ускорения в скользящем окне 0,05 с в заданном диапазоне частот 10-1000 Гц. Уровень, по которому выделялись события, выбирался индивидуально в каждом случае с учетом уровня сейсмического шума на каждом канале. Для классификации сейсмических событий применен подход, предложенный в лабораторных экспериментах для анализа сигналов акустической эмиссии при деформировании геоматериалов: классификация сейсмических событий по параметру волновой формы. Для зарегистрированных микросейсмических событий создана база данных очаговых и кинематических параметров, которая включает величину сейсмического момента M0 каждого события, моментную магнитуду Mw, угловую частоту источника f0, сейсмическую энергию Es и характерный размер источника L. Показано, что на обследуемом тектонически нарушенном участке шахты крупных событий не наблюдалось. Магнитуды зарегистрированных микроземлетрясений находятся в интервале Mw ~( -2.7 - -1.4). Установлено, что практически все зарегистрированные очаги микросейсмических событий находятся внутри зоны, в которой уровень динамических деформаций от взрывов достигает величины 10-6. Этот результат соответствует существующим представлениям об инициировании сейсмических событий колебаниями от удаленных землетрясений (Hill, Prejean, 2007; Кочарян, 2016). При этом большая часть очагов приурочена к зоне разгрузки вокруг разрабатываемой камеры. Показано, что сейсмическая активность характеризуется резким всплеском интенсивности после взрыва и последующим плавным спадом со временем. Как правило, основная доля сейсмических событий приходится на первые 6 часов после взрывов. В пространственной кластеризации существенную роль играют геометрия камеры и расположение крупной разломной зоны. Плотность индуцированных событий (количество событий в двадцатиметровых интервалах, размер которых приблизительно соответствует точности локации) с расстоянием от взрыва снижается пропорционально , что примерно соответствует степени затухания с расстоянием амплитуды сейсмических колебаний в ближней зоне взрыва. Это позволяет предположить определяющую роль динамической нагрузки при инициировании сейсмических событий. Подобная ситуация наблюдается при анализе плотности распределения афтершоков некоторых землетрясений [Felzer, Brodsky, 2006; Кочарян, 2016]. Хотя основные результаты сейсмического мониторинга разломной зоны в 2020 г. получены при обработке результатов измерений группой сейсмоприемников, расположенных в горных выработках на глубине около 300 м, для контроля использовались и результаты регистрации малоапертурной группой, расположенной на свободной поверхности. Поскольку источники микросейсмичсеких событий довольно высокочастотные (угловая частота не менее 120-760 Гц по данным подземных измерений), сильная диссипация не позволяет на основе наземных измерений осуществить локацию с достаточной точностью. Тем не менее, эпицентры большинства очагов микро-событий укладываются в определённую структуру, в плане соответствующую простиранию разломной зоны. Для каждого из событий в процессе вычисления координат очагов находилось распределение знаков вступления Р-волн на датчиках малоапертурной группы, что позволило определить фокальные механизмы микрособытий. Анализ кумулятивных графиков распределения событий во времени показывает соответствие результатам подземных измерений. В соответствии с планом, на основе результатов сейсмологических наблюдений на подземном стационарном широкополосном сейсмическом пункте «Грот» методом функции приемника в короткопериодном варианте был получен скоростной разрез до глубины 20 км. В модели выделяются характерные особенности – резкое увеличение скоростей Vs на глубине 300 м с 1.2 до 2.8 км/с и наличие слоя повышенных скоростей в верхней части коры (на глубинах 4-15 км), характеризующегося скоростями Vs порядка 4.1 км/с. Результаты, полученные в 2019-20 гг. были обобщены и использованы при построении ряда усовершенствованных моделей, описанных в итоговом отчете.