Parametry ogniska sejsmicznego Grzegorz Kwiatek1,2 1. GFZ German Research Centre for Geosciences 2. Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk Witam państwa wszystkich serdecznie. Dziękuję za zaproszenie. Jest mi niezmiernie miło wrócić na kopalnię Rudna po kilku latach.

Parametry ogniska sejsmicznego Witam! Nazywam się Grzegorz Kwiatek. Obecnie pracuję w narodowym centrum badań o ziemi GFZ w Poczdamie w Niemczech, w zakładzie Geomechaniki i Reologii. Zajmuję się sejsmicznością indukowaną górniczą działalnością człowieka i fizyką procesów pękania górotworu. Na tych kilku slajdach które zrobiłem w tym roku w kopalni złota Mponeng w RPA, gdzie mamy projekt monitorinu mikrosejsmiczności na głębokości 3.5km. Parametry ogniska sejsmicznego

Parametry wstrząsu sejsmicznego Podstawowe parametry: Lokalizacja (X,Y,Z) Magnituda Dodatkowe parametry możliwe do uzyskania na KGHM w stosunkowo prosty sposób bezpośrednio z sejsmogramów: Rozmiar uskoku Energia fal sejsmicznych (oraz stosunek ES/EP) Statyczny spadek naprężeń Naprężenie pozorne Średnie przemieszczenie na uskoku (w ognisku) Efektywność sejsmiczna Savage-Wood’a Dynamiczny spadek naprężeń Inne parametry Dynamiczny spadek naprężeń (RMS) Efektywność radiacji W prezetacji chciałbym opowiedzieć o parametrach spektralnych. Chciałbym przekonać państwa, że oprócz takich parametrów jak lokalizacja zjawiska i magnituda istnieje jeszcze conajmniej kilkanaście innych parametrów wartych obliczenia. Parametry te pozwalają uzyskać dodatkową wiedzę o wstrząsie sejsmicznym a ich interpretacja może pozwolić państu na redukcję zagrożenia sejsmicznego podczas eksploatacji. Dodatkowe parametry które można obliczyć to przede wszystkim rozmiar uskoku, energia fal sejsmicznych z fal S i P, statyczny spadek naprężeń i naprężenie pozorne. Parametry te obliczane są praktycznie automatycznie przez program o którym będę mówił nieco później, a który mam nadzieję jutro poznają państwo w praktyce. Legenda: Obliczane standardowo, obliczane automatycznie w FOCI, wkrótce obliczane automatycznie w FOCI, niemożliwe do obliczenia na KGHM przy obecnym stanie sieci. Parametry ogniska sejsmicznego

Spektrum Fouriera sygnałów Fragmenty fali P i S (amplituda fali w określonym czasie) -> FFT -> Spektra fali P i S (amplituda fali o określonej częstotliwości) Analiza spektralna rozpoczyna się od wybrania opowiednich fragmentów fal P i S. Program następnie transformuje wybrane fragmenty do domeny częstotliwości z wykorzystaniem transformaty Fouriera. Parametry ogniska sejsmicznego

Spektrum Fouriera sygnałów Spektrum Fouriera fragmentu sygnału fali P lub S pozwala określić (conajmniej) dwa niezależne parametry rejestrowanego wstrząsu: poziom spektralny oraz częstotliwość narożną. W efekcie, uzyskujemy spektrum fouriera sygnału, osobne dla fali P i S. Po lewej widzimi model takiego spektrum dla fali S (czerwona) i fali P (niebieska). Po prawej przykład abu spektrów na rzeczywistych danych. Spektrum FFT sygnału ma dwa charakterystyczne parametry. Pierwszy z nich to poziom spektralny. Drugi to częstotliwość narożna. Większość obliczanych parametrów korzysta z tych dwóch niezależnych wielkości opisujących wstrząs sejsmiczny. Parametry ogniska sejsmicznego

Moment sejsmiczny i Magnituda momentu sejsmicznego Moment sejsmiczny obliczany jest na podstawie poziomu spektralnego z fali P i/lub S. Najbardziej wiarygodna estymata siły wstrząsu sejsmicznego. Moment sejsmiczny jest wartością „statyczną” – jego wartość jest proporcjonalna do finalnego średniego przemieszczenia uskoku o określonej powierzchni. Moment sejsmiczny przeliczany jest na magnitudę momentu sejsmicznego. Pierwszym parametrem o którym chciałbym powiedzieć jest moment sejsmiczny i magnituda momentu sejsmicznego. Moment sejsmiczny obliczany jest z poziomu spektralnego obu fal. Jest to najbardziej wiarygodna estymata siły wstrząsu. Wartość momentu jest proporcjonalna do finalnego średniego przemieszczenia uskoku określonej powierzchni. Wartość magnitudy momentu sejsmicznego jest bardziej wiarygodna od magnitudy wyznaczanej z energii fal lub amplitudy, a to dlatego, że ta ostatnia zależy dość silnie od sposobu w jaki fale propagują ze źródła wstrząsu. Parametry ogniska sejsmicznego

Parametry ogniska sejsmicznego Promień uskoku Obliczany z wykorzystaniem częstotliwości narożnej. Zależny od wybranego modelu uskoku (zazwyczaj przyjmuje się, że płaszczyzna uskoku ma postać koła o promienu r, możliwe są też inne modele np. prostokąt, kwadrat, linia). Wartości promienia wydają się z reguły zawyżone w porównaniu z obserwacjami in-situ w kopalniach (wynika najprawdopodobniej z założeń co do modelu uskoku) Kolejnym użytecznym parametrem jest promień uskoku. Obliczany jest on zasadniczo z wykorzystaniem częstotliwości narożnej i przy przyjęciu modelu uskoku. Zazwyczaj przyjmuje się, że płaszczyzna uskoku to koło o określonym promieniu R który właśnie obliczamy. Z praktyki wiadomo, że wartości promienia obliczone w ten sposób są zawyżone – wynika to z zalożenia że uskok to „płaska” powierzchnia. Parametry ogniska sejsmicznego

Energia wyzwolona w formie fal sejsmicznych Uniwersalny parametr wykorzystywany w obliczaniu wielu innych parametrów ogniska sejsmicznego – m.in. magnitudy, naprężenia pozornego, efektywności sejsmicznej Odzwierciedla dynamikę wstrząsu sejsmicznego (w odróżnieniu od momentu sejsmicznego, który jest wielkością statyczną). Zależny od sposobu w jaki fale rozchodzą się ze źródła w przestrzeni (możliwe błędy wyznaczania!). Stosunek ES/EP wskazuje na typ mechanizmu (~40 – typowe „ścinanie”, niskie wartości – wskazują na możliwy nie nieścinający charakter zjawiska np. eksplozja, pękanie tensyjne filara etc.) Kolejny parametr znają państwo zapewne znacznie lepiej – to energia wyzwolona w formie fal sejsmicznych. W analizie spektralnej jest to uniwersalny parametr służący do obliczania wielu innych parametrów źródła sejsmicznego – przede wszystkim magnitudy, ale także i napreżenia pozornego o którym będę mówił za chwilę i efektywności sejsmicznej. Wartość ta, w odróżnieniu od momentu sejsmicznego odzwierciedla DYNAMIKĘ wstrząsu. Warto wiedzieć, że stosunek ES/EP, czyli stosunek energii sejsmicznych wyzwolonych w postaci fal P i S może wskazywać na typ mechanizmu. 30-40x większa energia w falach S niż w falach P wskazuje, że nastąpiło ścinanie na uskou. Niższe wartości sugerują nieścinający charakter pękania -> np. Tensyjne pękania filaru, eksplozja. Parametry ogniska sejsmicznego

Statyczny spadek naprężeń Wskazuje różnicę pomiędzy stanem naprężeń w górotworze przed i po wstrząsie. Wartość jest uśredniona po powierzchni uskoku. Wartość statycznego spadku naprężeń jest silnie zależna od przyjętego modelu uskoku (do obliczeń wykorzystywany jest promień uskoku w trzeciej potędze). Estymata spadku naprężeń jest obarczona wysokim błędem. Zastosowanie: ocena odprężenia górotworu. Typowe wartości dla wstrząsów: 0.01-10MPa, dla KGHM zazwyczaj ~0.3MPa (50kPa-2MPa) Kolejny parametr, pozwalający ocenić stopień odprężenia górotworu PO wystąpieniu zjawiska sejsmicznego to statyczny spadek naprężeń. Wartość ta wskazuje na różnicę pomiędzy stanem naprężeń przed i po wstrząsie i jest uśredniona po powierzchni uskoku. Estymata s.s.naprężeń obarczona jest stosunkowo dużym błędem, ponieważ jest silnie zależna od rozmiarów uskoku. Typowe wartości... Parametry ogniska sejsmicznego

Parametry ogniska sejsmicznego Naprężenie pozorne Wartość energii wyzwolonej w formie fal sejsmiczych na jednostkę powierzchni uskoku i jednostkę przemieszczenia uskoku. Praktycznie niezależny od przyjętego modelu źródła sejsmicznego. Nie odzworowuje rzeczywistego spadku naprężeń. Wysoka wartość sa : pękanie w nienaruszonym górotworze. Niska wartość sa : pękanie górotworu na istniejących strefach osłabienia (np. stare uskoki, strefy spękań etc.) Wysoka wartość – zwiększone zagrożenie!!! Typowe wartości dla KGHM zazwyczaj ~3kPa (0.5-15kPa) Bardzo ciekawym parametrem jest natomiast naprężenie pozorne. Formalnie, jest to wartość energii wyzwolonej w formie fal sejsmiczych na jednostkę powierzchni uskoku i jednostkę przemieszczenia uskoku. Zaletą jest, że parametr ten jest praktycznie niezależny od modelu, choć z reguły niestety nie odwzorowuje rzeczywistego spadku naprężeń. Ważną informacją dla państwa jest zapewne to, że wysoka wartość sa wskazuje na pękanie w nienaruszonym górotworze. Niska wartość sa : pękanie górotworu na istniejących strefach osłabienia (np. stare uskoki, strefy spękań etc.). Wysokie wartości naprężenia pozornego wskazują na wysokie zagrożenie sejsmiczne. Parametry ogniska sejsmicznego

Efektywność sejsmiczna Savage-Wood’a Jest to stosunek naprężenia pozornego do statycznego spadku naprężeń h=0.5 Typowe zjawisko w którym dominuje ścinanie „fracture-dominated”. Wskazuje na pękanie w nienaruszonym górotworze. h<<0.5 Zjawisko w którym dominuje tarcie „friction-dominated”. Wskazuje na pękanie na istniejących już strefach osłabienia górotworu (np. stare uskoki) W KGHM – dominują zjawiska „friction-dominated” Poprzednie dwa parametry mogą posłużyć do obliczenia kolejnego parametru, jakim jest Efektywność sejsmiczna Savage-Wood’a. Jest to po prostu stosunek naprężenia pozornego do statycznego spadku naprężeń. Wartość... Parametry ogniska sejsmicznego

Analiza spektralna w FOCI Strona projektu FOCI: http://www.sejsmologia-gornicza.pl Parametry ogniska sejsmicznego

Przygotowanie sygnału Przygotowanie fragmentów fal P i S do analizy na jak największej ilości kanałów Dobra wiadomość dla pracowników! KONIEC! (Prawie) wszystko zrobi już sam program... Parametry ogniska sejsmicznego

Przesyłanie zaznaczeń do analizy Parametry ogniska sejsmicznego

Przeglądanie spektrów Przed oglądnięciem wyników warto spojrzeć na obliczone spektra i ewentualnie usunąć te, które wyglądają nieprawidłowo. Parametry ogniska sejsmicznego

Przeglądanie spektrów Parametry ogniska sejsmicznego

Przeglądanie spektrów Parametry ogniska sejsmicznego

Przeglądanie i selekcja wyników Tutaj mamy przykład tabeli z wynikami analizy spektralnej sygnału. Wszystkie podstawowe parametry: moment sejsmiczny, częstotliwość narożna, magnituda momentu sejsmicznego, promień źródła, energia oraz statyczny spadek naprężeń i naprężenie pozorne są zaprezentowane w kolejnych kolumnach. Czerwone i niebieskie paski pokazują jak dalece dana wartość odbiega od obliczonej na żywo średniej – pozwala to usunąć wyniki odstające od reszty. Parametry ogniska sejsmicznego

Finalna tabela z parametrami spektralnymi Tak wygląda tabelka po usunięciu. Obliczone parametry spektralne możemy teraz eksportować do najróżniejszych formatów. Ja wyeskportowałem dane do programu Microsoft Excel. Parametry ogniska sejsmicznego

Finalne parametry spektralne Magnituda MW=2.2, E=51kJ (~ME=1.9), R=~240m, statyczny spadek naprężeń=79kPa, naprężenie pozorne=500Pa (wstrząs prawdopodobnie na strefie osłabienia) Oto te same wyniki w Excelu. Parametry ogniska sejsmicznego

Porównanie z rozwiązanie TMS A tutaj mamy porównanie parametrów spektralnych (w tle) z parametrami uskoku obliczonymi za pomocą analizy tensora momentu sejsmicznego. Jeden parametr wspólny – magnituda momentu sejsmicznego jest prawie taki sam dla obu analiz (2.1 oraz 2.2). Parametry ogniska sejsmicznego

Parametry ogniska sejsmicznego Dziękuję za uwagę! Strona projektu FOCI: http://www.sejsmologia-gornicza.pl Parametry ogniska sejsmicznego