Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
In 2023, regional seismic stations recorded 25 seismic events in the Vorkuta coal industrial district of the Komi Republic, with a local magnitude ML from 1.8 to 2.8. A significant contribution to the detection of weak, ML ≤ 2, events was made by data obtained from the temporary seismic station of the IG FRC Komi SC UB RAS, installed as part of expeditionary work in the summer of 2023 in the Polar Urals. Among them the seismic event on August 1, 2023, which had a macroseismic effect, is of particular interest. Residents of several districts of Vorkuta felt tremors similar to an earthquake. Seismic records from 5 stations with epicentral distances from 40 to 1070 km were processed. The following parameters of the epicenter were obtained: t0 = 18:39:07, 67.529N, 64.001E, h = 0 km, Rminor = 3.9 km, Rmajor = 6.7 km, AzMajor = 90°, Kp = 9.0, ML = 2.8, Ms = 2.35. The instrumental epicenter of the event is located in Vorkuta, near the mine field of the Vorkuta mine. We classified the seismic event as a rock burst. Macroseismic intensity calculated in accordance with the Seismic intensity scale-2017 using 57 questionnaires and 163 definitions of sensor categories was I0 = 4.73 ± 0.02. The calculated value of the macroseismic depth of the source was H = 0.5 ± 0.4 km, which corresponds to the instrumental definition and to the range of depths of mine workings of the Vorkuta coal deposit.
seismic station, seismogram, epicenter, rock burst, coal mine, Vorkuta
Введение
В Воркутском углепромышленном районе Республики Коми ведется разработка месторождений угля Печорского угольного бассейна. Изменение геодинамического состояния массива горных пород, вызванное добычей полезных ископаемых, сопровождается сбросом напряжений, проявляющимся в том числе в виде возникновения сейсмических событий. Подобные события можно квалифицировать как техногенно-тектонические (горно-тектонические). Имея в виду двойственную природу их происхождения, в их формировании участвуют как региональные поля тектонических напряжений, так и накладывающиеся на них дополнительные воздействия от ведения горных работ. До недавнего времени информация о них отсутствовала. Лишь с открытием вблизи Воркутинского горнодобывающего района сейсмических станций появились объективные данные инструментального сейсмического мониторинга о возникающей здесь сейсмической активности (Носкова, 2017; Носкова, Асминг, 2018).
В период с 1994 по 2004 г. региональный сейсмологический мониторинг, в том числе северных районов Республики Коми, осуществлял Кольский филиал ФИЦ ЕГС РАН, с использованием сейсмической станции «Амдерма» в пос. Амдерма. Институтом динамики геосфер РАН в пределах шахтного поля шахты «Комсомольская» была развёрнута локальная система сейсмологического мониторинга геодинамических явлений (Беляева и др., 2009). С 2010 г. возобновлена работа сейсмической станции «Амдерма» уже в составе Архангельской сейсмической сети1, которая также фиксирует сейсмические события северных районов Республики Коми. Сейсмостанция «Бованенково» ФИЦ ЕГС РАН, расположенная на п-ве Ямал, регистрирует наиболее крупные сейсмические события в пределах Воркутинского района. В 2021 г. была открыта сейсмическая станция «Инта» Института геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (Носкова и др., 2023). Благодаря этому удалось понизить порог представительности регистрируемых сейсмических событий на севере Республики Коми с ML = 4 до ML = 2.5 и появилась возможность регистрировать техногенную сейсмичность. Весомый вклад в обнаружении слабых (ML ≤ 2) событий 2023 г. в Воркутинском районе внесли данные, полученные с временной сейсмической станции «Полярный Урал» (POLU) ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, установленной в рамках экспедиционных работ летом 2023 г. на Полярном Урале. Среди сейсмических событий 2023 г. выделяется событие 1 августа 2023 г. в Воркуте, которое особенно сильно ощущалось жителями города и ближайших посёлков. Оно зафиксировано сейсмическими станциями, расположенными на территории республики и соседних регионов.
Целью данной работы является анализ сейсмических данных, полученных региональными сейсмостанциями, определение основных параметров сейсмических событий, произошедших в Воркутском углепромышленном районе в 2023 г., и их каталогизация. Актуальность проведения постоянного мониторинга вызвана тем, что горные работы влияют на сейсмическую активность не только самой зоны ведения горных работ, но и более широких областей. Регулярные техногенные воздействия могут ускорить процессы подготовки тектонических землетрясений даже в тех районах, где их возникновение маловероятно. Поэтому очень важно проводить непрерывные наблюдения за природной и техногенной сейсмичностью в районах разработок месторождений и вести паспортизацию (каталогизацию) сейсмических событий.
Материалы и методы исследования
Для анализа и определения параметров сейсмических событий использовались волновые формы станций: «Инта» (IN0) ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, «Амдерма» (AMDE1) Архангельской сейсмической сети и «Бованенково» (BVNN) ФИЦ ЕГС РАН, а в некоторых случаях — временной сейсмической станции «Полярный Урал» (POLU) ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, установленной в рамках экспедиционных работ летом 2023 г. на Полярном Урале. Для сейсмического события 1 августа 2023 г. в обработку также были включены данные сейсмической станции «Добрянка» (PR2R) ГИ УрО РАН.
Определение параметров гипоцентра по исходным цифровым сейсмическим записям производилось в программах WSG (Красилов и др., 2006) и LOS (Асминг и др., 2021) методом минимизации невязок, с использованием скоростной модели для Восточно-Европейской платформы (Schueller et al., 1997), дополненной глубокими слоями модели AK-135 (Kennett et al., 1995). Для вычисления локальной магнитуды ML и магнитуды по поверхностным волнам Ms применялись реализованные в WSG способы расчета, основанные на осредненной по Северной Евразии калибровочной функции (Габсатарова, 2006) и рекомендациях, указанных в работе И. П. Габсатаровой (2011).
Данные о макросейсмических проявлениях сейсмического события 1 августа 2023 г. собирались в анкеты, представляющие собой электронные таблицы, где макросейсмические сведения в формализованном виде представлялись в виде реакции различных категорий-сенсоров в соответствии с определениями Шкалы сейсмической интенсивности — 2017 (ШСИ-2017) (ГОСТ…, 2017). В дальнейшем при обработке нами использовался статистический подход, описанный в ГОСТ Р 57546–201, позволяющий получить итоговую сейсмическую интенсивность I, обобщенную по большому количеству категорий-сенсоров, и рассчитать величину ошибки её определения sI. Данный подход для территории Урала и европейской части России впервые был применен при обработке макросейсмических данных сильного Катав-Ивановского землетрясения Mw = 5.0, I0 = 6.4 ± 0.3 (Дягилев и др., 2020) и в настоящее время широко используется при расчетах макросейсмической интенсивности ощутимых горно-тектонических ударов в пределах Североуральского бокситового и Высокогорского железорудного месторождений на Урале (Верхоланцев и др., 2023). В настоящей работе методика определения макросейсмической интенсивности в соответствии с новой шкалой ШСИ-2107 была применена и на Воркутском угольном месторождении Печорского угольного бассейна, что позволит в дальнейшем при регистрации ощутимых горно-тектонических ударов получать макросейсмические оценки в соответствии с современной шкалой ШСИ-2017.
Инструментальная обработка
Благодаря открытию в Инте сейсмической станции «Инта» (IN0) ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН появилась возможность регистрировать техногенную сейсмичность на территории Республики Коми (Носкова и др., 2023). За 2023 г. сейсмостанцией «Инта» зарегистрировано 25 сейсмических событий (табл. 1, рис. 1) в районе Воркуты, предположительно техногенного характера. Однако обработка по одиночной станции может приводить к неверному решению и некорректным выводам, как, например, по сейсмическому событию 21 февраля 2023 г. По времени возникновения первоначально оно было отнесено к взрыву на угольном разрезе. Как известно из сообщений Управления по делам ГО и ЧС Воркуты, взрывные работы проводятся в районе Юнь-Ягинского угольного разреза вблизи п. Советский с 09:00 до 18:00 по местному времени (Внимание…, 2023). После добавления в расчёты сейсмических записей станций «Амдерма» и «Бованенково» положение эпицентра удалось уточнить. Также были получены данные о том, что сейсмическое событие ощущалось жителями Воркуты (Подслушано…, 2023), поэтому, возможно, данное событие является горно-тектоническим ударом на шахте «Воркутинская».
Для обработки сейсмических записей, связанных предположительно с проявлениями техногенной сейсмичности в пределах угольных месторождений Воркутского углепромышленного района, зарегистрированными сейсмической станцией «Инта» (IN0), по возможности использовались данные сейсмических станций «Амдерма» и «Бованенково». Большой вклад в обнаружение и лоцирование событий c ML ≤ 2 внесла временная сейсмостанция «Полярный Урал» (POLU), работавшая летом на Полярном Урале.
Эпицентры событий расположены рядом с Воркутой и, соответственно, шахтными полями. Поэтому они классифицируются нами как горные, горно-тектонические удары или взрывы, если в эти дни было объявлено предупреждение о проведении взрывных работ в районе Юньягинского разреза вблизи п. Советский (Внимание…, 2023). На рис. 2, 3 приводятся примеры сейсмограмм ГУ и ГТУ. Их, несомненно, больше, но регистрационные возможности на региональных расстояниях не позволяют фиксировать все события.
Макросейсмические данные
Добыча угля на шахтах Воркутинского угленосного района ведется на больших глубинах и в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, что способствует возникновению интенсивных геодинамических явлений. Нередко они сопровождаются макросейсмическими проявлениями в Воркуте (Носкова, 2016; Носкова, Конечная, 2017; Носкова, Асминг, 2018; Носкова и др., 2018).
Сейсмическое событие 21 февраля 2023 г. обсуждалось воркутинцами в социальной сети «ВК» в группах «Подслушано Воркута» (запись от 21 февраля в 19:05 по местному времени) и «Хэлоу, Воркута!» (запись от 21 февраля в 20:45 по местному времени). Жителями города ощущались толчки на улицах Димитрова, Ленина, Шерстнёва, Суворова, Комарова, Гоголя, Пионерской, Гагарина, Ленинградской, Ломоносова, Чернова, Некрасова, а также во 2-м и 3-м районах (Подслушано…, 2023; Хэлоу, Воркута…, 2023).
Сейсмическое событие 22 июня 2023 г. также отметилось воркутинцами в социальной сети «ВК» в группе «» (запись от 23 июня в 00:24 (Привет..., 2023). По данному событию информации существенно меньше, что, вероятно, связано с более поздним временем возникновения сейсмического события, возможно, многие в это время уже спали.
Сейсмическое событие 1 августа 2023 г. вызвало резонанс среди воркутинцев (В городе…, 2023). Явление, похожее на землетрясение, почувствовали жители нескольких районов Воркуты. Макросейсмические сведения были собраны в первые дни после события через интерактивную форму на сайте ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. Всего была получена 61 анкета, 6 из них исключены из расчётов, т. к. в них не был заполнен адрес. В социальных сетях спустя 7 минут от времени возникновения события в «ВК» в группе «Привет! Сейчас в Воркуте!» жителями города была создана беседа «В городе тряхнуло. Почувствовали?». По обсуждению в социальных сетях были добавлены ещё 2 анкеты, где кроме ощущений люди указали адрес и этаж. Жители почувствовали сотрясение всего дома, слышали гул, раскачивались светильники, дребезжала посуда, в некоторых случаях вибрировали тяжелые предметы, многие пугались, зачастую беспокоились животные. Все из опрошенных отчётливо ощутили довольно сильный толчок, как будто у соседей упало что-то тяжёлое. Макросейсмическая интенсивность данного события, рассчитанная нами по 57 анкетам и 163 определениям категорий-сенсоров, составила I0 = 4.73 ± 0.02 по шкале ШСИ-2017. Такая высокая точность определения итоговой интенсивности обеспечена применением статистических подходов при использовании современной макросейсмической шкалы ШСИ-2017 на основе большого количества первичных макросейсмических данных.
Наличие макросейсмических данных позволило произвести оценку макросейсмической глубины (табл. 2) двумя способами: с помощью уравнения Н. В. Шебалина для условий Восточно-Европейской платформы, Урала и Западной Сибири (Новый каталог, 1977) через интенсивность в эпицентре (1) и с использованием макросейсмической формулы В. Карника (2), полученной для Европы (Сейсмическое..., 1968).
I0 = 1.5*M–v*lgH+c (1)
I0 = 2*M-2*lgH-0.7 (2)
При этом в уравнении Н. В. Шебалина нами использованы уточненные коэффициенты v и с, принятые в соответствии с работой Н. В. Петровой и др. (2020), где для условий Урала и Республики Коми впервые получены коэффициенты уравнений макросейсмического поля для близповерхностных очагов Н ≤ 1 км: b = 1.5, v = 2.43, c = 1.01.
Макросейсмическое уравнение использует магнитуду MLH, которая примерно равна Ms. Согласно B. Gutenberg, C. Richter (1956), магнитуда по Рихтеру ML и Ms связаны соотношением:
Ms = 1.27*(ML–1)–0.016*ML2 (3)
В соответствии с этим в табл. 2 приведены результаты расчета макросейсмической глубины как с использованием прямых оценок магнитуды Ms, так и пересчитанной из магнитуды ML, которая имеет большую точность определения на региональных расстояниях.
Учитывая величину ошибок, глубины, полученные по разным формулам, близки и можно принять усредненное значение H = 0.5 ± 0.4 км, что соответствует инструментальному определению и диапазону глубин горных выработок Воркутского угольного месторождения.
Сейсмическое событие 1 августа 2023 г.
Временная сейсмическая станция «Полярный Урал» ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, установленная в рамках экспедиционных работ на тот момент на массиве Енганепэ, р. Левый Изъявож, первая зафиксировала данное событие. Предварительные и оперативно рассчитанные параметры эпицентра были переданы по запросу в ГУ МЧС России по Республике Коми.
Событие также было зарегистрировано сейсмическими станциями Республики Коми, Архангельской области, Ямало-Ненецкого автономного округа и Пермского края. Позже расчет эпицентра сейсмического события производился по вступлениям сейсмических фаз P- и S-волн региональных сейсмических станций: «Инта» (IN0), «Амдерма» (AMDE1), «Бованенково» (BVNN), «Добрянка» (PR2R). На рис. 4 приводятся волновые формы события 1 августа 2023 г.
Эпицентральные расстояния по 5 станциям составили от 40 (POLU) до 1070 км (PR2R). Расположение сейсмостанций относительно эпицентра показано на рис. 5. Азимутальное окружение — 26.8—339.9°, максимальная азимутальная тень GAP = 124°.
Определены следующие параметры рассматриваемого события: время в очаге t0 = 18:39:07, координаты — 67.529N, 64.001E, глубина гипоцентра h = 0 км. Энергетический класс по Т. Г. Раутиан и локальная магнитуда составили Kp = 9.0, ML = 2.8/3, Ms = 2.35 (табл. 1). Эллипс ошибок определения положения эпицентра: Rminor = 3.9 км, Rmajor = 6.7 км, Azmajor = 90°. Макросейсмические исследования показали, что инструментальная обработка оказалась довольно точной. Эпицентр события расположен в Воркуте, в шахтном поле шахты «Воркутинская» Воркутского угольного месторождения. В соответствии с классификацией, предложенной в работе А. Б. Макарова (2006), сейсмическое событие отнесено нами к категории горно-тектонических ударов.
Для события 1 августа 2023 г. также выполнено автоматическое определение параметров сейсмологическим центром NORSAR (Норвегия) по записям станций ARCESS Array, Spitsbergen Array и FINESS Array. Согласно бюллетеню (NORSAR…, 1971), событие произошло в Заполярном районе Ненецкого автономного округа и имело следующие параметры: t0 = 18:39:19.0, 68.07N, 61.93E, М = 2.55/3. Ошибка определения положения эпицентра составила более 100 км, что исключает правильную трактовку природы события.
Выводы
Техногенные сейсмические события на шахтах Печорского угольного бассейна не редкость (Носкова, Асминг, 2018; Носкова и др., 2018). В 2023 г. вблизи шахтных полей угольных шахт воркутского углепромышленного района зарегистрировано 25 сейсмических событий, которые классифицируются нами как горные, горно-тектонические удары и, возможно, взрывы на угольном разрезе «Юньягинский». Самым заметным было сейсмическое событие 1 августа 2023 г., имеющее макросейсмический эффект. Жители нескольких районов Воркуты почувствовали толчки, похожие на землетрясение. Инструментальный эпицентр события расположен в Воркуте, в шахтном поле шахты «Воркутинская». Сейсмическое событие классифицировано нами как горно-тектонический удар. Макросейсмическая интенсивность, рассчитанная в соответствии со шкалой ШСИ-2017 по 57 анкетам и 163 определениям категорий-сенсоров составила I0 = 4.73 ± 0.02. Рассчитанное значение макросейсмической глубины очага составило H = 0.5 ± 0.4 км, что соответствует инструментальному определению и диапазону глубин горных выработок Воркутского угольного месторождения.
Благодаря открытию сейсмической станции «Инта» ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН появилась возможность регистрировать техногенную сейсмичность на территории Республики Коми (Носкова и др., 2023). Важное значение в обнаружении и лоцировании некоторых событий имела временная сейсмическая станция «Полярный Урал», работавшая летом на Полярном Урале. Следует также подчеркнуть существенный вклад станций «Амдерма» Архангельской сети и «Бованенково» ФИЦ ЕГС РАН в определении местоположения низкомагнитудных сейсмических событий на севере республики. Без использования данных этих станций расчёт параметров гипоцентров оказался бы проблематичным, а в некоторых случаях невозможным. Для распознавания природы происходящих событий, а также сейсмологического мониторинга Воркутинского горнодобывающего района республики необходима установка здесь сейсмических станций, особенно теперь, когда Воркута вошла в перечень опорных территорий Арктической зоны РФ (Определен…, 2023).
1. Asming, V. E., Fedorov, A. V., & Prokudina, A. V. LOS software for interactive seismic and infrasonic data processing. Russian Journal of Seismology, 2021, V. 3(1), pp. 27—40. (in Russian) DOI: https://doi.org/10.35540/2686-7907.2021.1.02
2. Belyaeva L. I., Goncharov A. I., Ivanov N. V., and Kulikov V. I. Probable catastrophic events in the Vorkuta coal basin. Problems of Interactions between the Geospheres. Moscow: GEOS, 2009, pp. 155—163. (in Russian)
3. The city shook. Did you feel it? Hello! Now in Vorkuta! VK group. Record from August 1, 21:46. (access date: 15.11.2023) (in Russian)
4. Verkholantsev F. G., Golubeva I. V., Dyagilev R. A., Zlobina T. V. Seismicity of the Urals and Western Siberia in 2018—2019. Earthquakes in Northern Eurasia, 26(2018—2019), 2023, pp. 225—238. (in Russian)
5. Department for Civil Defense and Emergency Affairs of the city of Vorkuta. (access date: 15.11.2023). (in Russian)
6. Gabsatarova I. P. Introduction to procedures for calculating the local magnitude into the routine practice of departments of the Geophysical Survey of the RAS. Modern methods of processing and interpretation of seismological data. Materials from International seismological school. Obninsk, Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences, 2006, pp. 49—53. (in Russian)
7. Gabsatarova I. P. Determination of MLV magnitude from surface waves of regional events of the Kola Peninsula. Modern methods of processing and interpretation of seismological data. Proceedings of the Sixth International Seismological Workshop. Obninsk, GS RAS, 2011, pp. 107—113. (in Russian)
8. GOST R 57546-2017. Earthquakes Seismic Intensity Scale. Enter 2017-07-19. Moscow: Standardinform, 2017, 28 p. (in Russian)
9. Dyagilev R. A., Verkholantsev F. G., Varlashova Yu. V., Shulakov D. Yu., Gabsatarova I. P., Epifanskiy A. G. Katav-Ivanovsk earthquake on 04.09.2018, mb = 5.4 (Urals). Russian Journal of Seismology, V2, 2, pp. 7—20. (in Russian) DOI: https://doi. Org/10.35540/2686-7907. 2020.2.01
10. Krasilov S. A., Kolomiets M. V., Akimov A. P., Organization of digital seismic data processing using the WSG software package. Modern methods of processing and interpretation of seismological data. Materials of the Seismological Workshop. Obninsk, Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences, 2006, pp. 77—83. (in Russian)
11. Makarov A. B. Practical geomechanics. Manual for mining engineers. Moscow: Gornaya Kniga, 2006, 391 p. (in Russian)
12. New catalogue of strong earthquakes at the territory of USSR from ancient time till 1975. Moscow: Nauka, 1977, 536 p. (in Russian)
13. Noskova N. N. Seismic Events in the Pechora Coal Basin in 2016, Geodynamics, Lithology and Ore Genesis in the East European Platform and Folded Periphery. Proc. All-Russ. Conf. with Int. Participation. Syktyvkar: IG Komi SC UB RAS, 2017, pp. 133—135. (in Russian)
14. Noskova N. N. Mining-induced seismic event on June 8, 2015 in the Komsomolskaya Mine, Mineral Resources of the Arctic Territories of the Komi Republic and the Nenets Autonomous District: Proc. Sci.-Pract. Conf., Syktyvkar: IG Komi SC UB RAS, 2016, pp. 55—56. (in Russian)
15. Noskova N. N., and Asming V. E. Update of parameters of some seismic events in the Vorkuta area within 1971—2016. Geophysical Journal, 2018, V. 19, No. 4, pp. 46—63. (in Russian)
16. Noskova N. N., Asming V. E., Fedorov A. V. Seismic Event in the Komsomolskaya Mine on the 25th of January, 2018. J Min Sci, 54, 2018, pp. 550—555. https://doi.org/10.1134/S1062739118043990
17. Noskova N. N., Konechnaya Ya. V. Seismic event on April 2, 2017 near the city of Vorkuta. The development of seismological and geophysical monitoring systems for natural and technogenic processes on the territory of Northern Eurasia, dedicated to 50-th anniversary of opening Central Geophysical Observatory in Obninsk. Responsible editor A. A. Malovichko. Obninsk: FRC GS RAS, 2017, p. 59 (in Russian)
18. Noskova N. N., Popov I. V., Mashin D. O. New seismic observation point on the territory of the Komi Republic. Geophysical Research, 2023, V. 24, No. 3, pp. 52—68. (in Russian)
19. A list of support settlements in the Russian Arctic has been determined. Ministry of the Russian Federation for the Development of the Far East and the Arctic. (access date: 01.11.2023) (in Russian)
20. Petrova N. V., Dyagilev R. A., Gabsatarova I. P. Features of seismic effect attenuation of the Russian platform and Ural earthquakes. Problems of Engineering Seismology, 2020, V. 47, No. 4, pp. 5—25. (in Russian)
21. Overheard in Vorkuta: VK group. Record from February 21, 2023 at 19:05. (access date: 15.11.2023) (in Russian)
22. Hello! Now in Vorkuta! VK group. Record from on June 23 at 12:24. (access date: 15.11.2023). (in Russian)
23. Seismic zonation of the USSR. S. V. Medvedev (ed). Moscow: Nauka, 1968, 476 p. (in Russain)
24. Hello, Vorkuta. VK group from February 21, 2023 at 19:05. (access date: 15.11.2023). (in Russian)
25. Gutenberg B. and Richter C. F. (1956). Magnitude and energy of earthquakes. Annali di Geofisica, 9, 1, 1-15.
26. Kennett B. L. N., Engdahl E. R., Buland R. Constraints on seismic velocities in the Earth from travel times // Geophysical Journal International. 1995. No. 122. P. 108—124.
27. NORSAR (1971). NORSAR Seismic Bulletins. URL: https://doi.org/10.21348/b.0001 (date 01.11.2023).
28. Schueller W., Morozov I. B., and Smithson S. B. Crustal and uppermost mantle velocity structure of northern Eurasia along the profile Quartz // Bulletin of the Seismological Society of America, 1997. No. 87. pp. 414—426.
