Kiedy uskok się zrelaksuje

Profesorowie GIG Grzegorz Mutke i Krystyna Stec wyjaśniają, że w latach 80. rocznie notowano 20-30 wstrząsów groźnych dla infrastruktury podziemnej i budynków na powierzchni, a jest ich teraz dziesięciokrotnie mniej

Profesorowie Krystyna Stec i Grzegorz Mutke, pracujący w Zakładzie Geologii i Geofizyki Głównego Instytutu Górnictwa, o wstrząsach i zagrożeniach sejsmicznych wiedzą wiele. Nikt jednak w świecie nie wie o nich wszystkiego.

- Możemy oszacować prawdopodobieństwo zaistnienia wstrząsu w okresie 20 lat - oszacować, a nie przewidzieć. Na terenach zagrożonych trzęsieniami ziemi, a nie - jak to jest u nas - wstrząsami indukowanymi wskutek eksploatacji górniczej lub przez nią aktywowanymi, takie prawdopodobieństwo szacuje się na okres 475 lat! To znaczy: metodami matematycznymi i statystycznymi szacuje się, że prawdopodobieństwo wystąpienia w tym czasie wstrząsu o magnitudzie 4,0 wynosi np. 5 proc. - wyjaśnia prof. Mutke.

- Nie ma dnia, by 20 naszych stacji pomiarowych pracujących w Górnośląskiej Regionalnej Sieci Sejsmologicznej nie odnotowało wstrząsu. GIG monitoruje wstrząsy górnicze od kilkudziesięciu lat, a z wykorzystaniem narzędzi informatycznych od 1977 r. I od tego roku do czasów współczesnych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym odnotowano 55 tys. wstrząsów o magnitudzie, odpowiedniku popularnej skali Richtera, równej lub większej niż 1,7. Przy czym tych o sile 3,3 było 80, a o magnitudzie co najmniej 3,8 odnotowaliśmy 13 - wylicza prof. Stec.

GRSS (autorstwa obojga profesorów) archiwizuje również wstrząsy, których nie zarejestrowała żadna kopalniana stacja sejsmologiczna. Jedna stacja pomiarowa, z której wyniki przekazywane są via GSM do centralnego serwera w GIG, mieści się bez trudu w walizce. Informacje z nich tworzą bank danych o wstrząsach górniczych, zawiera on takie dane, jak czas wystąpienia zjawiska, energia wstrząsu, magnituda, nazwa kopalni, współrzędne epicentrum.

Tak na marginesie: pierwsza stacja monitorująca takie zjawiska powstała w Raciborzu w 1929 r.

Górnictwo przyspiesza ten proces
Skąd te wstrząsy?

Nie wdając się w szczegóły i rzecz upraszczając: to wskutek tego, iż uskok skalny setki metrów pod powierzchnią ziemi - jak to powiadają geolodzy - relaksuje się, ulega relaksacji.

Uskok - struktura tektoniczna powstała w wyniku rozerwania mas skalnych i przemieszczenia ich wzdłuż powstałej powierzchni - wskutek działania wielu czynników i procesów geofizycznych oraz geologicznych napręża się. Działalność górnicza prowadzona w jego strefie - im głębiej, tym jego naprężenia są większe - przyspiesza proces relaksacji, co może prowadzić do tzw. wstrząsów tektonicznych indukowanych eksploatacją. To ogólne wyjaśnienie przyczyn.

W Zakładzie Geologii i Geofizyki GIG tłumaczą, że nie da się przewidzieć, gdzie i kiedy dokładnie "ruszy ziemią‟. Nie znaczy to, że monitoring takich zdarzeń jest mało skuteczny. Jest skuteczny i jest potrzebny. I potwierdzeniem tej tezy są liczby i statystyki. Choć fedruje się (nie tylko węgiel, ale i rudy metali również) coraz głębiej, to do wstrząsów dochodzi rzadziej niż przed parudziesięciu laty. Prof. Mutke tłumaczy ten pozorny paradoks:

- Mniejsza liczba wstrząsów, a przede wszystkim mała liczba wypadków i uszkodzeń wyrobisk przez nie wywoływanych pod ziemią, jest efektem mniejszego wydobycia węgla, bardziej racjonalnej gospodarki złożami, skuteczniejszej profilaktyki górniczej oraz nowoczesnej rejestracji wstrząsów przez kopalniane stacje sejsmologiczne.

Wstrząs w kopalni odkrywkowej
W latach 80. rocznie notowano 20-30 wstrząsów, wywołujących znaczne zniszczenia infrastruktury podziemnej oraz uszkodzenia budynków na powierzchni, o potencjale zbliżonym do tych pod Libiążem (3,8 w skali Richtera), teraz dziesięciokrotnie mniej.

Aktualnie na Śląsku najwięcej wstrząsów górniczych rejestruje się w obszarze wzdłuż strefy uskoku kłodnickiego, rozciągającej się od Katowic w kierunku Zabrza po Knurów, w rejonie niecki bytomskiej (obszar Bytomia), w obszarze kopalń rybnickich (rejon Wodzisławia Śląskiego, Rydułtów) oraz w obszarze kopalń nadwiślańskich. Teraz można mówić również o obszarze zachodniej Małopolski, terenie działania m.in. kopalni Janina.

Tam, gdzie działalność górnicza prowadzona jest w strefie dużych uskoków tektonicznych, na uskoku tektonicznym lub w jego okolicy, tam musi dojść do wstrząsów aktywowanych eksploatacją górniczą. Ba, nie jest ona warunkowana tylko głębokością, choć przyjmuje się, że zagrożenie występuje w liczącej się skali od głębokości poniżej 400 m. Dość powiedzieć, że w polskim górnictwie najmocniejszy wstrząs, bo o magnitudzie M=4,6, odnotowano w 1980 r. w odkrywkowej kopalni węgla brunatnego w Bełchatowie. Odkrywka jest oraz była w tamtym czasie prowadzona w strefie rozłamów tektonicznych na uskoku.

Trzęsienie ziemi wielkości 4,6 w skali Richtera uznawane jest za "odczuwane przez większość osób, nieszkodliwe". Co roku w świecie dochodzi do 4,8 tys. wstrząsów tej wielkości. Tragiczne w skutkach wstrząsy w ruchu Śląsk kopalni Wujek miały w tej skali siłę 4,1. Nieco słabszy wstrząs odnotowano w 2004 r. w Pieninach. Jak łatwo się domyślić, nie miał on jakiegokolwiek związku z działalnością górniczą.

Dodać trzeba, że w tej przeszłości, w której w Bełchatowie nie wydobywano węgla, dochodziło tam do wstrząsów tektonicznych, chciałoby się powiedzieć - "naturalnych", bo pojęcie trzęsienia ziemi w Polsce brzmi nieco egzotycznie. Kraj nasz leży w tym punkcie globu, w którym te zjawiska nie są apokaliptycznym zagrożeniem. Największe historycznie potwierdzone trzęsienie zdarzyło się 5 czerwca 1443 r. Opisał je Jan Długosz. Wówczas nikt nie miał pojęcia o sejsmologii, ale współcześni nam specjaliści oszacowali jego siłę na co najmniej M=6,0 (co roku w świecie dochodzi do ok. 600 wydarzeń o takim potencjale).

Skala intensywności
Monitoring sejsmologiczny pozwolił opracować GSI (Górniczą Skalę Intensywności drgań), dzieło, z którego w GIG są dumni. I słusznie.

- Opisuje ona efekty oddziaływania wstrząsów na środowisko powierzchniowe - obiekty budowlane, infrastrukturę techniczną oraz na ludzi. W przypadku wstrząsów indukowanych eksploatacją górniczą pozwala ocenić potencjalne skutki bieżącej oraz projektowanej eksploatacji na powierzchnię - wyjaśniają profesorowie.

Skala ma pięć stopni - od zera (wstrząsy słabo odczuwalne) po IV (małe uszkodzenia w pojedynczych elementach konstrukcyjnych). W stopniu ostatnim w budynkach w dobrym stanie technicznym dochodzi m.in. do "odspojenia i odpadania większych fragmentów tynków wewnętrznych i zewnętrznych", a w złym stanie technicznym, technicznie zużytych do "pęknięcia konstrukcji stropów". Wszystko bowiem zależy od jakości obiektu, na który wpływ ma wstrząs górniczy.

Co jest pocieszające, naprężenia relaksowane na uskokach na głębokościach 1-2 km są mniejsze niż dla znacznie głębszych silnych trzęsień ziemi i fizycznie nie wywołują wstrząsów o magnitudach przekraczających wartość 4.5. Fakt ten wynika z ponad stuletnich doświadczeń eksploatacji węgla i monitoringu sejsmiczności w różnych zagłębiach górniczych w Europie. Nie należy więc oczekiwać większych uszkodzeń budynków niż obserwowane dotychczas, czyli takich jak przykładowo podczas trzęsień ziemi o magnitudzie powyżej 5 - tj. katastrofy budowlanej na znacznym obszarze i wynikającego z niej zagrożenia powszechnego.

W Zakładzie wyjaśniają, że wstrząsy w IV stopniu GSI, a ściślej wywołane nimi drgania mogą być szkodliwe dla liniowych obiektów podziemnej infrastruktury technicznej, szczególnie w starych instalacjach w miejscu ich łączenia.

- Budynki budynkami, ale wstrząsy są bardzo silnie odczuwalne przede wszystkim przez ludzi, tak będących wewnątrz budynków, jak i na zewnątrz. Gdy dochodzi do wstrząsu o najwyższej intensywności, wiele osób jest przestraszonych, wiele wybiega na zewnątrz budynków - dodaje prof. Stec.

Wstrząsy górnicze nie są rzadkie, ale też nie dochodzi do nich aż tak często, przynajmniej do tych najsilniejszych, powodujących lekkie uszkodzenia w zabudowie powierzchniowej na stosunkowo dużym obszarze. Jednak znacznie więcej szkód wskutek działalności górniczej od wstrząsów powoduje osiadanie powierzchni ziemi. Ale to już inny temat.