Сотрудники Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра и Полярного геофизического института проанализировали несколько сотен горных ударов на рудниках севера России и предположили, что периодичность возникновения сейсмических явлений связана с солнечной активностью.
При разработке месторождений накапливаются напряжения, которые во время горного удара приводят к обрушению пород / ©Н. Щур
Горный удар – это интенсивное разрушение массива руды или породы, которое сопровождается выбросом большого количество разрушенной горной массы и сейсмическим эффектом. Фокус горного удара расположен очень близко к поверхности земли, поэтому его интенсивность намного выше, чем у естественного землетрясения той же магнитуды.
Горные удары и техногенные землетрясения очень опасны: они могут привести к катастрофическим повреждениям оборудования, разрушению выработок и гибели людей, поэтому их своевременный прогноз и профилактика становятся одной из важнейших проблем горной промышленности. Например, 20 января 1960 года на угольной шахте «Коулбрук» в Южно-африканской республике в результате мощного горного удара произошли разрушения на площади более трех квадратных километров и погибло 432 рабочих. Горные удары в России были впервые зафиксированы более 70 лет назад на шахтах Кизеловского угольного бассейна.
Сильнейшие горно-тектонические удары и техногенные землетрясения происходят на Кольском полуострове на территориях Хибинского и Ловозерского горных массивов. Ловозерское месторождение редких металлов последние годы занимает первое место по сейсмической активности среди всех рудных месторождений России.
17 августа 1999 года на руднике «Умбозеро» произошло сильнейшее за всю историю эксплуатации рудников России техногенное землетрясение магнитудой 4,0-4,4 Е ~ 1011 Дж, разрушившее 650 тысяч квадратных метров горных выработок. Сегодня считается, что сейсмическая активность на Кольском полуострове носит исключительно техногенный характер, однако с закрытием одного из рудников в 2004 году она так и не снизилась.
Авторы работы использовали данные о горных ударах на рудниках Урала, Норильского рудного узла и Мурманской области с 1947 по 2007 годы, а также показатели солнечной активности (числа Вольфа), возмущений магнитного поля Земли (Мировой центр данных по геомагнетизму в Киото), наиболее мощных (с магнитудой более семи) землетрясений с 1900 по 2004 годы (Геологическая служба США) и данные нейтронного мониторинга (обсерватория Апатиты).
Известны 11- и 22-летние циклы солнечной активности. 11-летние (циклы Швабе) связаны с вариацией числа солнечных пятен, солнечной радиации и галактических космических лучей. 22-летние (циклы Хэйла) связаны со сменой полярности общего магнитного поля Солнца и сказываются только на вариациях количества галактических космических лучей.
При сопоставлении всех данных был получен вывод, что количество горных ударов возрастает на фазах подъема и спада нечетных 11-летних циклов солнечной активности и снижается во время четных циклов, и похожим образом ведет себя геомагнитный индекс в полярной области.
Прослеживается 22-летняя периодичность в вариациях числа горных ударов. Продолжительность измерений слишком мала, чтобы считать закономерность достоверной, но при анализе наиболее сильных землетрясений, механизм которых схож с горными ударами, обнаружилось, что их периодичность тоже подчиняется 22-летнему циклу. Такая же цикличность, причем даже более ярко выраженная, чем 11-летняя, прослеживается и в изменениях климата.
Магнитное поле Солнца меняет свою полярность вблизи максимумов солнечной активности. Это приводит к изменению направления дрейфа потоков галактических космических лучей в гелиосфере. В ранних исследованиях было высказано предположение, что 20-22-летние климатические циклы связаны с увеличением и уменьшением количества космической пыли внутри Солнечной системы из-за ослабления магнитного поля Солнца во время смены знака, что подтверждается экспериментами, проведенными на борту космического аппарата Ulysses.
Сезонное распределение горных ударов в полярных и средних широтах различается. В полярной зоне максимум ударов приходится на март и октябрь, что совпадает с пиками геомагнитных возмущений. В средних широтах максимум горных ударов приходится на декабрь. Это не совпадает с распределением геомагнитных возмущений средней интенсивности, но соответствует пику короткопериодных геомагнитных пульсаций, характерных для средних широт.
Возможно, геомагнитные возмущения могут вызывать изменения режима существующих напряжений в земной коре и влиять на сейсмичность. Косвенно этот тезис подтверждается исследованием, установившим синхронность геомагнитных импульсов и микросейсмических колебаний.
Самый известный механизм, объясняющий влияние магнитного поля Земли на энергию горных пород, – это магнитострикция (сжатие и растяжение горных пород при изменении магнитного поля). Амплитуда магнитострикции зависит от содержания магнетита. Потенциально сейсмически опасными рудные месторождения Кольского полуострова с большим содержанием магнитострикционных материалов (например, редкометалльное месторождение Ловозерского горного массива, чья сейсмичность объявлена исключительно техногенной, поскольку до 1990-х годов сейсмических событий не наблюдалось).
Однако сейчас, несмотря на закрытие одного из рудников, сейсмичность месторождения остается на высоком уровне. Можно предположить, что с началом горных работ массивы пород приходят в неравновесное состояние и становятся более чувствительными к геомагнитным возмущениям. Выявленные авторами взаимосвязь солнечной активности и частота горных ударов помогут прогнозировать и вести профилактику горных ударов на рудниках Севера России.
