О генезисе Бачатского землетрясения 2013 года

Землетрясение с магнитудой M_L=6.1, произошедшее в Кузбассе 18.06.2013 г., – самое крупное сейсмическое событие, связанное с горными работами. Мнения о его генезисе расходятся. С одной стороны, расположение гипоцентра и большинства афтершоков непосредственно под карьером наводит на мысль о техногенной природе события. С другой стороны, очаг располагался на глубине нескольких километров, что, по мнению ряда авторов, свидетельствует против этого предположения из-за незначительной величины техногенного изменения параметров поля напряжений по сравнению с литостатическим давлением и, тем более, с прочностью породы [Lovchikov, 2016; и др.] В настоящей работе предпринята попытка разобраться, в какой мере горные работы в приповерхностных областях коры способны стать причиной крупного землетрясения и какие именно процессы могут оказаться наиболее вероятным триггером динамической подвижки в очаге Бачатского землетрясения. Вероятные геометрические параметры плоскости разрыва получены в ходе анализа структурно-тектонической обстановки региона и опубликованных сведений о местоположении афтершоков [Emanovetal., 2017]. Показано, что инициирование событий такого размера общим уровнем антропогенной нагрузки на регион или непосредственным воздействием сейсмических колебаний от массовых взрывов маловероятно. В результате использования аналитического и численного моделирования, а также анализа данных сейсмологических наблюдений удалось продемонстрировать, что наиболее вероятным фактором инициирования динамической подвижки в очаге является извлечение и перемещение горной породы из карьера такого масштаба, как Бачатский. Следует отметить, что размер зоны, в которой выполняются геомеханические критерии инициирования, существенно больше критического размера зоны нуклеации для землетрясений с магнитудой M~6. При этом открытые горные работы едва ли влияют на локализацию очагов крупных землетрясений: они способны только приблизить момент события, уже подготовленного естественной эволюцией коры.

1. Adushkin V.V., 2016. Tectonic earthquakes of anthropogenic origin. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 52 (2), 173–194. https://doi.org/10.1134/S1069351316020014.

2. Adushkin V.V., 2018. Technogenic tectonic seismicity in Kuzbass. Russian Geology and Geophysics 59 (5), 571–583. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2018.04.010.

3. Ашурков В.А. Кузнецкие землетрясения юга Кузбасса и их связь с геологическим строением // Природные ресурсы Горного Алтая / Геология, геофизика, гидрогеология, геоэкология, минеральные и водные ресурсы. 2006. № 5. С. 65–74.

4. Угольная база России. Том 2. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны, месторождения Алтайского края и Республики Алтай) / Ред. А.П. Авдеев, В.Ф. Череповский, Г.Н. Шаров, А.З. Юзвицкий. М.: Геоинформцентр, 2003. 604 с.

5. Батугин А.С. Тектонофизические условия проявления техногенных землетрясений // Современные проблемы в горном деле и методы моделирования горно-геологических условий при разработке месторождений полезных ископаемых: Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет, 2015. С. 36.

6. Bobryakov A.P., Kosykh V.P., Revuzhenko A.F., 2015. Trigger initiation of elastic energy relaxation in high-stress geomedium. Journal of Mining Science 51 (1), 10–16. https://doi.org/10.1134/S1062739115010020.

7. Das S., Scholz C.H., 1981. Off-fault aftershock clusters caused by shear stress increase? Bulletin of the Seismological Society of America 71 (5), 1669–1675.

8. Dieterich J.H., 1979. Modeling of rock friction: 1. Experimental results and constitutive equations. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 84 (B5), 2161–2168. https://doi.org/10.1029/JB084iB05p02161.

9. Ellsworth W.L., Beroza G.C., 1995. Seismic evidence for an earthquake nucleation phase. Science 268 (5212), 851–855. https://doi.org/10.1126/science.268.5212.851.

10. Emanov A.F., Emanov A.A., Fateev A.V., Leskova E.V., 2017. The technogenic Bachat earthquake of June 18, 2013 (ML=6.1) in the Kuznetsk Basin – the world’s strongest in the extraction of solid minerals. Seismic Instruments 53 (4), 333–355. https://doi.org/10.3103/S0747923917040041.

11. Emanov A.F., Emanov A.A., Fateev A.V., Leskova E.V., Shevkunova E.V., Podkorytova V.G., 2014. Mining-induced seismicity at open pit mines in Kuzbass (Bachatsky earthquake on June 18, 2013). Journal of Mining Science 50 (2), 224–228. https://doi.org/10.1134/S1062739114020033.

12. Felzer K.R., Brodsky E.E., 2004. The absence of stress shadows. Seismological Research Letters 75 (2), 285. https://doi.org/10.1785/gssrl.75.2.219.

13. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Л.: Стройиздат, 1959. Т. 1. 356 с.

14. Foulger G.R., Wilson M.P., Gluyas J.G., Julian B.R., Davies R.J., 2018. Global review of human-induced earthquakes. Earth-Science Reviews 178, 438–514. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.07.008.

15. Гончаров А.И., Куликов В.И., Мартинсон Н.М. О сейсмическом действии массовых взрывов на карьерах КМА // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 1. С. 162–164.

16. Гончаров А.И., Куликов В.И., Минеев В.И., Седоченко В.В. Сейсмическое действие массовых взрывов на открытых и подземных работах // Динамические процессы во взаимодействующих геосферах. М.: ГЕОС, 2006. С. 22–33.

17. Hardebeck J.L., Nazareth J.J., Hauksson E., 1998. The static stress change triggering model: Constraints from two southern California aftershock sequences. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 103 (B10), 24427–24437. https://doi.org/10.1029/98JB00573.

18. Heesakkers V., Murphy S., Lockner D.A., Reches Z., 2011. Earthquake rupture at focal depth, Part II: Mechanics of the 2004 M2.2 earthquake along the pretorius fault, TauTona Mine, South Africa. Pure and Applied Geophysics 168 (12), 2427–2449. https://doi.org/10.1007/s00024-011-0355-6.

19. Ide S., Takeo M., 1997. Determination of constitutive relations of fault slip based on seismic wave analysis. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 102 (B12), 27379–27391. https://doi.org/10.1029/97JB02675.

20. Keranen K.M., Weingarten M., Abers G.A., Bekins B.A., Ge S., 2014. Sharp increase in central Oklahoma seismicity since 2008 induced by massive wastewater injection. Science 345 (6195), 448–451. https://doi.org/10.1126/science.1255802.

21. King G.C., Stein R.S., Lin J., 1994. Static stress changes and the triggering of earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America 84 (3), 935–953.

22. Kishkina S.B., 2004. Parameters of seismic effect of mass short-delayed explosions. NNC RK Bulletin (2), 171–178.

23. Klose C.D., 2007. Geomechanical modeling of the nucleation process of Australia's 1989 M5.6 Newcastle earthquake. Earth and Planetary Science Letters 256 (3–4), 547–553. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.02.009.

24. Klose C.D., 2012. Evidence for anthropogenic surface loading as trigger mechanism of the 2008 Wenchuan earthquake. Environmental Earth Sciences 66 (5), 1439–1447. https://doi.org/10.1007/s12665-011-1355-7.

25. Кочарян Г.Г. Инициирование природных катастроф и техногенных аварий сейсмическими колебаниями малой амплитуды // Геоэкология. 2012. № 6. С. 483–496.

26. Кочарян Г.Г. Масштабный эффект в сейсмотектонике // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 2. С. 353–385. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0133.

27. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС, 2016. 424 с.

28. Кочарян Г.Г., Костюченко В.Н., Павлов Д.В. Инициирование деформационных процессов в земной коре слабыми возмущениями // Физическая мезо¬механика. 2004. Т. 7. № 1. С. 5–22.

29. Кочарян Г.Г., Остапчук А.А., Павлов Д.В. Режим деформирования разломных зон и инициирующий потенциал сейсмических колебаний // Триггерные эффекты в геосистемах / Ред. В.В. Адушкин, Г.Г. Кочарян. М.: ГЕОС, 2013. С. 34–45.

30. Короткин В.Г. Объемная задача теории упруго-изотропного полупространства // Сборник Гидропроекта. № 4. Л.–М.: ГОНТИ, 1938. С. 52–85.

31. Kremenetskaya E.O., Trjapitsin V.M., 1995. Induced seismicity in the Khibiny Massif (Kola Peninsula). Pure and Applied Geophysics 145 (1), 29–37. https://doi.org/10.1007/BF00879481.

32. Кудинов Е.В. Геолого-тектоническое строение и газоносность угленосных отложений верхнебалахонской подсерии Прокопьевско-Киселевского сегмента Присалаирской зоны Кузбасса // Вестник Томского государственного университета. 2007. № 301. C. 196–200.

33. Лавренов П.Ф., Снежко Б.А., Щигрев А.Ф. и др. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:200000. Издание второе. Серия Кузбасская. Лист N-45-XV (Ленинск-Кузнецкий). Объяснительная записка. М.: Московский филиал ВСЕГЕИ, 2018. 115с.

34. Lovchikov A.V., 2013. Review of the strongest rockbursts and mining-induced earthquakes in Russia. Journal of Mining Science 49 (4), 572–575. https://doi.org/10.1134/S1062739149040072.

35. Ловчиков А.В. Некоторые закономерности проявления горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений на рудниках России // Прогноз и предупреждение тектонических горных ударов и землетрясений: измерение деформаций, остаточных и действующих напряжений в горных породах. Бишкек: НАН КР, 2016. С. 39–49.

36. Lovchikov A.V., Savchenko S.N., 2016. On the technogenic nature of the Bachatsky earthquake 06.18.2013. In: Tectonophysics and topical issues of Earth sciences. Proceedings of the Fourth Tectonophysical conference. Institute of Physics of the Earth of RAS, Moscow, p. 478–480.

37. Love A.E.H., 1927. A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. Fourth edition. Cambridge University Press, Cambridge, 643 p. [Русский перевод: Ляв А. Математическая теория упругости (перевод с 4-го английского издания). М.–Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1935. 674 с.].

38. Сейсмичность при горных работах / Ред. Н.Н. Мельников. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2002. 318 с.

39. Мухамедиев Ш.А. О дискретном строении геосреды и континуальном подходе к моделированию ее движения // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7. № 3. С. 347–381. https://doi.org/10.5800/GT-2016-7-3-0213.

40. Novikov I.S., Cherkas O.V., Mamedov G.M., Simonov Y.G., Simonova T.Y., Nastavko V.G., 2013. Activity stages and tectonic division in the Kuznetsk Basin, Southern Siberia. Russian Geology and Geophysics 54 (3), 324–334. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2013.02.007.

41. Овсюченко А.Н., Рогожин Е.А., Новиков С.С., Мараханов А.В., Ларько А.С. Палеогеологические и тектонические исследования по уточнению природно-техногенной опасности юга Кузбасса // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2011. № 1. С. 65–74.

42. Papageorgiou A.S., Aki K., 1983. A specific barrier model for the quantitative description of inhomogeneous faulting and the prediction of strong ground motion. Part II. Applications of the model. Bulletin of the Seismological Society of America 73 (4), 953–978.

43. Quinn C.D., Glen R.A., Diessel C.F.K., 2008. Discussion of “Geomechanical modeling of the nucleation process of Australia's 1989 M5.6 Newcastle earthquake” by C.D. Klose [Earth Planet. Sci. Lett. 256 (2007) 547–553]. Earth and Planetary Science Letters 269 (1–2), 296–302. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.11.067.

44. Решетняк С.П., Федотова Ю.В., Савченко С.Н. Особенности проектирования формы глубоких карьеров с учетом напряженно-деформированного состояния вмещающего массива горных пород // Записки Горного института. 2012. Т. 197. С. 169–173.

45. Rymer M.J., Boatwright J., Seekins L.C., Yule J.D., Liu J., 2002. Triggered surface slips in the Salton Trough associated with the 1999 Hector Mine, California, earthquake. Bulletin of the Seismological Society of America 92 (4), 1300–1317. https://doi.org/10.1785/0120000935.

46. Scholz C.H., 1998. Earthquakes and friction laws. Nature 391 (6662), 37–42. https://doi.org/10.1038/34097.

47. Шаров Г.Н., Черных А.Е. Особенности глубинного строения Кузнецкой впадины в связи с нефтегазо- и рудоносностью // Актуальные проблемы рудообразования и металлогении / Ред. М.И. Кузьмин. Новосибирск: Гео, 2006. С. 243–245.

48. Shemyakin E.I., Kurlenya M.V., Kulakov G.I., 1986. Classification of rock bursts. Journal of Mining Science 22 (5), 329–336. https://doi.org/10.1007/BF02504138.

49. Государственная геологическая карта. Масштаб 1:1000000 (третье поколение). Лист N-45, Новокузнецк. СПб.: ВСЕГЕИ, 2007.

50. Сысоев Е.С., Стреляев В.И. Анализ геодинамической эволюции углевмещающих геологических структур Присалаирской зоны Кузбасса // Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири: Материалы межрегиональной научно-практической конференции. Томск: ТГУ, 2007. С. 297–304.

51. Wells D.L., Coppersmith K.J., 1994. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the Seismological Society of America 84 (4), 974–1002.

52. Yakovlev D.V., Lazarevich T.I., Tsirel’ S.V., 2013. Natural and induced seismic activity in Kuzbass. Journal of Mining Science 49 (6), 862–872. https://doi.org/10.1134/S1062739149060038.