Syntetyczne testy inwersji pełnego pola falowego w warunkach rzeczywistej sieci monitoringu sejsmicznego ZG Rudna

• Autorzy: Caputa Alicja , Rudziński Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.32045/PG-2020-012

Warianty tytułu

EN

Synthetic Tests of Full Waveform Inversion with Configuration of Rudna Mine Real Seismic Monitoring System

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Sejsmiczność indukowana działalnością górniczą jest stale monitorowana i analizowana w celu zwiększenia bezpieczeństwa wydobycia kopalin. Jedną z procedur, chociaż niestosowanych rutynowo w polskim górnictwie węgla i miedzi, jest wyznaczanie mechanizmów ogniskowych silniejszych wstrząsów. Najprostszą i jak dotąd jedyną stosowaną metodą ich obliczania jest inwersja pierwszych wstąpień fali P w domenie czasu. Metoda ta pomimo swojej prostoty i możliwości bezpośredniej kontroli analizowanego wejścia fali sejsmicznej, jest procedurą bardzo czułą na geometrię sieci pomiarowej. Jest to szczególnie kłopotliwe w przypadku dołowych sieci kopalnianych, gdzie geometria sieci ograniczona jest istniejącą infrastrukturą podziemną. W niniejszym opracowaniu proponujemy i testujemy metodę inwersji pełnego pola falowego, przeprowadzaną w domenie częstotliwości oraz czasu, która do tej pory nie była powszechnie stosowana w polskim górnictwie. W oparciu o sejsmogramy syntetyczne obliczone dla lokalnego modelu prędkościowego oraz z wykorzystaniem geometrii rzeczywistej sieci monitoringu sejsmicznego, przeprowadziliśmy badanie przydatności inwersji pełnego pola falowego do obliczeń w warunkach górniczych. W pracy prezentujemy analizy 10 różnych modeli mechanizmów ogniskowych testowanych w różnych lokalizacjach kopalni dla zmiennej siły wstrząsu oraz z dodatkowym rzeczywistym szumem sejsmicznym. Na podstawie otrzymanych wyników możemy stwierdzić, iż głównym czynnikiem warunkującym jakość rozwiązania jest siła wstrząsu i wynikająca z niego zależność amplituda/szum. Natomiast metoda ta nie jest czuła na geometrię sieci pomiarowej.

EN

In order to improve the safety procedures of georesources exploitation, the induced seismicity is constantly monitored and examined. One of the procedures method, although even though not routinely used in Polish coal and copper mining mines, is the calculation of focal mechanisms of strong seismic events. The simplest and so far the only used method for source mechanisms estimation is the inversion of the first P wave onsets in the time domain. Despite its simplicity and the ability to direct control of analyzed seismic waves used during inversion, it is a procedure very sensitive to the geometry of the monitoring seismic network. This is particularly troublesome in the case of underground seismic monitoring system, where the geometry of the network is limited by the existing underground infrastructure. In this study, we propose and test the full waveform inversion method, performed both in the frequency and time domain. This kind of method has not been widely used in Polish miningmines. Basing on synthetic seismograms prepared for the local velocity model and using geometry of the real seismic monitoring network, we conducted a study of the suitability of the full waveform inversion for calculations in underground mining conditions. In this paper, we present analyzes of 10 different source models of focal mechanisms tested in various mine locations within mining area. The tests were performed for variable events strength and with additional real seismic noise. On the grounds of obtained results, we can conclude that the main factor determining the solution quality is the strength of mining tremor and amplitude/noise relationship resulting from it. However, this method is not sensitive to the geometry of the measurement network.

Słowa kluczowe

PL

sejsmiczność indukowana; mechanizmy ogniskowe wstrząsów; inwersja pełnego pola falowego; testy syntetyczne

EN

induced seismicity; source mechanisms; full waveform inversion; synthetic tests

• Wydawca: Polskie Towarzystwa Geofizyczne ; Komitet Geofizyki PAN
• Czasopismo: Przegląd Geofizyczny
• Rocznik: 2020
• Tom: Z. 3-4
• Strony: 123--138
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Caputa Alicja

• Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk, Polska

autor

Rudziński Łukasz

• Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk, Polska

Bibliografia

• [1] Aki K., Richards P. G., 2002, Quantitative seismology, University Science Book, 700 s.
• [2] Caputa A., Rudziński Ł., 2019, Source analysis of post-blasting events recorded in deep copper mine, Poland, Pure and Applied Geophysics, 176 (8), 3451-3466, DOI: 10.1007/s00024-019-02171-x.
• [3] Caputa A., Talaga A., Rudziński Ł., 2015, Analysis of post-blasting source mechanisms of mining-induced seismic events in Rudna copper mine, Poland, Contemporary Trends in Geoscience, 4 (1), 26-38, DOI: 10.1515/ctg-2015-0003.
• [4] Cesca S., Buforn E., Dahm T., 2006, Amplitude spectra moment tensor inversion of shallow earthquakes in Spain, Geophysical Journal International, 166 (2) 839-854, DOI: 10.1111/j.1365-246X.2006.03073.x.
• [5] Cesca S., Grigoli F., 2015, Full waveform seismological advances for microseismic monitoring, Advances in Geophysics, 56, 169-228, DOI: 10.1016/bs.agph.2014.12.002.
• [6] Cesca S., Heimann S., 2013, A practical on moment tensor inversion using the Kiwi tools, [w:] New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP-2), P. Bormann (red.), Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Potsdam, DOI: 10.2312/GFZ.NMSOP-2_EX_3.6.
• [7] Cesca S., Heimann S., Stammler K., Dahm T., 2010, Automated procedure for point and kinematic source inversion at regional distances, Journal of Geophysical Research, 115, DOI: 10.1029/2009JB006450.
• [8] Cesca S., Rohr A., Dahm T., 2013, Discrimination of induced seismicity by full moment tensor inversion and decomposition, Journal of Seismology, 17 (1), 147-163, DOI: 10.1007/s10950-012-9305-8.
• [9] Dubiński J., 2013, The mechanisms and consequences of strong mining tremors that occur in Polish hard coal and copper mines, [w:] Rock Mechanics for Resources, Energy and Environment, EUROCK2013, W. Kwaśniewski, D. Łydżba (red.), Taylor & Francis Group, 31-38.
• [10] Gibowicz S. J., Kijko A., 1994, An introduction to mining seismology, Academic Press, San Diego, 399 s.
• [11] Hasegawa H. S., Wetmiller R. J., Gendzwill D. J., 1989, Induced seismicity in mines in Canada – an overview, Pure and Applied Geophysics, 129 (3-4), 423-453, DOI: 10.1007/BF00874518.
• [12] Heimann S., 2011, A robust method to estimate kinematic earthquake source parameters, Universitat Hamburg, dostępne online: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5357/pdf/Dissertation.pdf (18.09.2020).
• [13] Heimann S., Kriegerowski M., Isken M., Cesca S., Daout S., Grigoli F., Juretzek C., Megies T., Nooshiri N., Steinberg A., Sudhaus H., Vasyura-Bathke H., Willey T., Dahm T., 2017, Pyrocko – an opensource seismology toolbox and library, V. 0.3., GFZ Data Services, DOI: 10.5880/GFZ.2.1.2017.001.
• [14] Hudson J. A., Pearce R. G., Rogers R. M., 1989, Source time plot for inversion of the moment tensor, Journal of Geophysical Research, 94 (B1), 765-774, DOI: 10.1029/JB094iB01p00765.
• [15] Hudyma M. R., Brummer R. K., 2007, Seismic monitoring in mines – design, operation, tricks and traps, [w:] 1st Canada – U.S. Rock Mechanics Symposium, conference paper, American Rock Mechanics Association.
• [16] Jost M. L., Herrmann R. B., 1989, A studen’s guide to and review of moment tensors, Seismological Research Letters, 60 (2), 37-57, DOI: 10.1785/gssrl.60.2.37.
• [17] Kagan Y. Y., 2005, Double-couple earthquake focal mechanism: random rotation and display, Geophysical Journal International, 163 (3), 1065-1072, DOI: 10.1111/j.1365-246X.2005.02781.x.
• [18] Kagan Y. Y., 2007, Simplified algorithms for calculating double-couple rotation, Geophysical Journal International, 171 (1), 411-418, DOI: 10.1111/j.1365-246X.2007.03538.x.
• [19] Koziarz E., Szłapka M., 2010, Kierunki dalszego rozwoju informatycznego systemu do bezpośredniej lokalizacji zjawisk dynamicznych w O/ZG „Rudna” KGHM „Polska Miedź” SA, Wiadomości Górnicze, 61 (3), 159-174.
• [20] Kozłowska M., Orlecka-Sikora B., 2017, Assessment of quantitative aftershock productivity potential in mining-induced seismicity, Pure and Applied Geophysics, 174, 925-936, DOI: 10.1007/s00024-016-1432-7.
• [21] Kwiatek G., Martínez-Garzón P., Bohnhoff M., 2016, HybridMT: A MATLAB/Shell environment package for seismic moment tensor inversion and refinement, Seismological Research Letters, 87 (4), 964-976, DOI: 10.1785/0220150251.
• [22] Leake M. R., Conrad W. J., Westman E. C., Ghaychi Afrouz S., Molka R. J., 2017, Microseismic monitoring and analysis of induced seismicity source mechanisms in a retreating room and pillar coal mine in the Eastern United States, Underground Space, 2 (2), 115-124, DOI: 10.1016/j.undsp.2017.05.002.
• [23] Lizurek G., Rudziński Ł., Plesiewicz B., 2015, Mining induced seismic event on an inactive fault, Acta Geophysica, 63 (1), 176-200, DOI: 10.2478/s11600-014-0249-y.
• [24] Lizurek G., Wiejacz P., 2011, Geophysics in mining and environmental protection: moment tensor solution and physical parameters of selected recent seismic events at Rudna copper mine, [w:] Geophysics in mining and environmental protection. GeoPlanet: Earth and planetary sciences, 2, A. F. Idziak, R. Dubiel (red.), 11-19, DOI: 10.1007/978-3-642-19097-1_2.
• [25] Ma J., Dineva S., Cesca S., Heimann S., 2018, Moment tensor inversion with three-dimensional sensor configuration of mining induced seismicity (Kiruna mine, Sweden), Geophysical Journal International, 213 (3), 2147-2160, DOI: 10.1093/gji/ggy115.
• [26] Malovichko D., van Aswegen G., 2013, Testing of the source processes of mine related seismic events, [w:] Proceedings of the 8th International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, (September), 93-106.
• [27] Mendecki A. J., van Aswegen G., Mountfort P., 1999, A guide to routine seismic monitoring in mines, [w:] A handbook on rock engineering practice for tabular hard rock mines, A. J. Jager, J. A. Ryder (red.), Creda Communications, Cape Town.
• [28] Potvin Y., Hudyma M. R., 2001, Seismic monitoring in highly mechanized hardrock mines in Canada and Australia, [w:] Proceedings of the Fifth International Symposium of Rockburst and Seismicity in Mines, South African Insitute of Mining and Metallurgy, Johannesburg, 267-280.
• [29] Rudziński Ł., 2013, Rozwiązanie mechanizmu zjawiska sejsmicznego poprzez inwersję sejsmogramów, Przegląd Górniczy, 5 (69), 49-55.
• [30] Rudziński L., Cesca S., Lizurek G., 2016, Complex rupture process of the 19 March 2013, Rudna mine (Poland) induced seismic event and collapse in the light of local and regional moment tensor inversion, Seismological Research Letters, 87 (2A), 274-284, DOI: 10.1785/0220150150.
• [31] Rudziński Ł., Dębski W., 2011, Extending the double-difference location technique to mining applications part I: Numerical study, Acta Geophysica, 59 (4), 785-814, DOI: 10.2478/s11600-011-0021-5.
• [32] Rudziński L., Mirek J., Lizurek G., 2017, Identification of seismic doublets occurred on Rudna mine, Poland, Acta Geophysica, 65 (2), 287-298, DOI: 10.1007/s11600-017-0034-9.
• [33] Sen A. T., Cesca S., Bischoff M., Meier T., Dahm T., 2013, Automated full moment tensor inversion of coal mining-induced seismicity, Geophysical Journal International, 195 (2), 1267-1281, DOI: 10.1093/gji/ggt300.
• [34] Stec K., 2012, Focal mechanisms of mine-induced seismic events an explanation of geomechanical processes in the area of longwall 6, seam 510 in hard coal mine "Bobrek Centrum”, Archives of Mining Sciences, 57 (4), 871-886, DOI: 10.2478/v10267-012-0057-7.
• [35] Stec K., Wojtecki Ł., 2011, Charakterystyka mechanizmu ognisk wstrząsów górotworu związanych z eksploatacją pokładu 510 ścianą 502 w kopalni węgla kamiennego „Bielszowice”, Prace Naukowe GIG. Górnictwo i środowisko, 1, 61-77.
• [36] Talaga A., Koziarz E., Rudziński Ł., 2017, Skomplikowany mechanizm pękania górotworu w warunkach działania kopalni głębinowej na podstawie zjawiska sejsmicznego ZG „Rudna” w Polkowicach, Przegląd Górniczy, 73 (4), 34-40.
• [37] Wang R., 1999, A Simple orthonormalization method for stable and efficient computation of green’s functions, Bulletin of the Seismological Society of America, 89 (3), 733-741.
• [38] Wojtecki Ł., Mendecki M. J., Zuberek W. M., Knopik M., 2016, An attempt to determine the seismic moment tensor of tremors induced by destress blasting in a coal seam, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 100, 162-169.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).