FEATURES OF SEISMICITY TRIGGERED BY RIPPLE-FIRED EXPLOSIONS AT THE KOROBKOVSKOYE IRON ORE DEPOSIT

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Intensification of mining activities often lead to nucleation of strong earthquakes and fault-slip bursts in areas that were previously thought to be aseismic or of low seismicity. Triggering strong seismic events associates with slips on existing tectonic faults and large fractures, whose structures essentially alter along strike. This work analyzes parameters of mine seismicity at the Korobkovskoye iron ore deposit, within which the large North-Eastern fault is localized. The goal of this analysis is to assess the probability of triggering strong seismic events at the fault segments with different structures of the core. The technique of ripple-fired blasting and horizon mining are employed in developing the deposit. This provokes weak seismic activity within the mine field. When explosions are hold in host rock, seismic events localize within the blasted chamber. The magnitude statistics displays distribution that obeys a power law, and the scaling exponent -value, as a rule, is less than 2. When explosions are hold in the vicinity of the fault, seismic events localize along its trace, and the -value, as a rule, exceeds 2. The main feature of seismicity at the Korobkovskoye iron ore deposit is that the induced events are of low radiative efficiency of 8,9 × 10−9–4,9 × 10−7 J/(N·m), which corresponds to “slow earthquakes”. The core of the North-Eastern fault contains mainly velocity-strengthening rocks, causing initiation of slow slip events. It is this circumstance that probably determines initiation of slow events. Linking the data of seismic monitoring and the structural and rheological properties of materials that compose the fault core allows to suggest that within the mine field in the vicinity of the North-Eastern fault the accumulated deformations can release mainly via slow and aseismic slips.

About the authors

Aleksey Andreevich Ostapchuk

Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS); Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

ORCID iD: 0000-0001-9505-4025
candidate of physical and mathematical sciences

Kseniya G. Morozova

Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS)

Email: morozovaxg@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2507-3006
candidate of physical and mathematical sciences

Alina Nikolaevna Besedina

Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS)

ORCID iD: 0000-0002-1245-8241

Grigorii Aleksandrovich Gridin

Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS); Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

ORCID iD: 0000-0001-7580-2110

Antonina Vladimirovna Grygoryeva

Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS); Institute of Geology of Ore Deposits Petrography Mineralogy and Geochemistry

Dmitry Vyacheslavovich Pavlov

Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS)

ORCID iD: 0000-0002-6633-9352

References

  1. Беседина А. Н., Кишкина С. Б., Кочарян Г. Г. и др. Характеристики слабой сейсмичности, индуцированной горными работами на Коробковском месторождении Курской магнитной аномалии // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2020. — № 3. — С. 12—24. — doi: 10.15372/ftprpi20200302.
  2. Востриков В. И., Усольцева О. М., Цой П. А. и др. Особенности развития процессов деформирования и микросейсмической эмиссии при нагружении образцов горных пород до разрушения // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2016. — Т. 2, № 3. — С. 45—49. — EDN: VXLLAX.
  3. Гиляров В. Л., Дамаскинская Е. Е., Кадомцев А. Г. и др. Анализ статистических параметров данных геоакустического мониторинга на месторождении «Антей» // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2014. — № 3. — С. 40—45. — EDN: SMIDIP.
  4. Гридин Г. А., Остапчук А. А., Григорьева А. В. и др. Вариации структурных и физико-механических свойств тектонического разлома в приповерхностной зоне // Физика Земли. — 2025. — № 1. — В печати.
  5. Захаров В. Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений. — Москва : ИГД им. А. А. Скочинского, 2002. — 172 с.
  6. Змушко Т. Ю., Турунтаев С. Б. и Куликов В. И. Связь шахтной сейсмичности с режимом горных работ на шахтах Воркуты // Динамические процессы в геосферах. — 2011. — № 2. — С. 75—88. — EDN: TMYUCR.
  7. Кейлис-Борок В. И. Исследование механизма землетрясений. — Москва : АН СССР, 1957. — 148 с.
  8. Кочарян Г. Г. Геомеханика разломов. — Москва : ГЕОС, 2016. — 432 с.
  9. Кочарян Г. Г., Беседина А. Н., Гридин Г. А. и др. Трение как фактор, определяющий излучательную эффективность подвижек по разломам и возможность их инициирования. Состояние вопроса // Физика Земли. — 2023. — № 3. — С. 3—32. — doi: 10.31857/S0002333723030067.
  10. Кочарян Г. Г., Будков А. М. и Кишкина С. Б. Об инициировании тектонических землетрясений при подземной отработке месторождений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2018. — № 4. — С. 34—44. — doi: 10.15372/FTPRPI20180405.
  11. Кочарян Г. Г., Куликов В. И. и Павлов Д. В. О влиянии массовых взрывов на устойчивость тектонических разломов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 6. — doi: 10.15372/FTPRPI20190605.
  12. Лавров А. В. и Шкуратник В. Л. Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении горных пород (обзор) // Акустический журнал. — 2005. — Т. 51. — С. 6—18. — EDN: HSIMXL.
  13. Лобацкая Р. М. Зоны динамического влияния разломов по анализу сопутствующих разрывов // Геология и геофизика. — 1983. — № 6. — С. 53—61.
  14. Ловчиков А. В. Сильнейшие горно-тектонические удары и техногенные землетрясения на рудниках России // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2013. — № 4. — С. 68—73. — EDN: RADOWD.
  15. Морозова К. Г., Остапчук А. А., Беседина А. Н. и др. Классификация сейсмических событий, сопровождающих взрывной способ разработки массива горных пород // Сейсмические приборы. — 2022. — Т. 58, № 4. — С. 97— 110. — doi: 10.21455/si2022.4-6.
  16. Опарин В. Н., Усольцева О. М., Семенов В. Н. и др. О некоторых особенностях эволюции напряженнодеформированного состояния образцов горных пород со структурой при их одноосном нагружении // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2013. — № 5. — С. 3—19. — EDN: RFSKVN.
  17. Патонин А. В., Шихова Н. М., Пономарев А. В. и др. Модульная система непрерывной регистрации акустической эмиссии для лабораторных исследований разрушения горных пород // Сейсмические приборы. — 2018. — Т. 54, № 3. — С. 35—55. — doi: 10.21455/si2018.3-3.
  18. Смирнов В. Б., Пономарев A. B. и Завьялов А. Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический режим // Физика Земли. — 1995. — № 1. — С. 38—58. — EDN: XGWLWZ.
  19. Шебалин П. Н., Гвишиани А. Д., Дзебоев Б. А. и др. Почему необходимы новые подходы к оценке сейсмической опасности? // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. — 2022. — Т. 507, № 7. — С. 91—97. — doi: 10.31857/S2686739722601466.
  20. Шерман C. И., Борняков C. A. и Буддо B. Ю. Области динамического влияния разломов. — Новосибирск : Наука, 1983. — 112 с.
  21. Шкуратник В. Л. и Вознесенский А. С. Акустическая эмиссия ультразвукового диапозона частот как инструмент решения задач горной геофизики // Горный журнал. — 2009. — № 1. — С. 54—57. — EDN: LHOUDT.
  22. Adushkin V. V. Technogenic tectonic seismicity in Kuzbass // Russian Geology and Geophysics. — 2018. — Vol. 59, no. 5. — P. 571–583. — doi: 10.1016/j.rgg.2018.04.010.
  23. Arrowsmith S. J., Arrowsmith M. D., Hedlin M. A. H., et al. Discrimination of Delay-Fired Mine Blasts in Wyoming Using an Automatic Time-Frequency Discriminant // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2006. — Vol. 96, no. 6. — P. 2368–2382. — doi: 10.1785/0120060039.
  24. Bolton D. C., Shokouhi P., Rouet-Leduc B., et al. Characterizing Acoustic Signals and Searching for Precursors during the Laboratory Seismic Cycle Using Unsupervised Machine Learning // Seismological Research Letters. — 2019. — Vol. 90, no. 3. — P. 1088–1098. — doi: 10.1785/0220180367.
  25. Boulton C., Carpenter B. M., Toy V., et al. Physical properties of surface outcrop cataclastic fault rocks, Alpine Fault, New Zealand // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. — 2012. — Vol. 13, no. 1. — doi: 10.1029/2011GC003872.
  26. Brune J. N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // Journal of Geophysical Research. — 1970. — Vol. 75, no. 26. — P. 4997–5009. — doi: 10.1029/JB075i026p04997.
  27. Buijze L., Guo Y., Niemeijer A. R., et al. Effects of heterogeneous gouge segments on the slip behavior of experimental faults at dm scale // Earth and Planetary Science Letters. — 2021. — Vol. 554. — P. 116652. — doi: 10.1016/j.epsl.2020.116652.
  28. Carpinteri A., Xu J., Lacidogna G., et al. Reliable onset time determination and source location of acoustic emissions in concrete structures // Cement and Concrete Composites. — 2012. — Vol. 34, no. 4. — P. 529–537. — doi: 10.1016/j.cemconcomp.2011.11.013.
  29. Chalumeau C., Agurto-Detzel H., Rietbrock A., et al. Seismological evidence for a multifault network at the subduction interface // Nature. — 2024. — Vol. 628, no. 8008. — P. 558–562. — doi: 10.1038/s41586-024-07245-y.
  30. Chester F. M., Chester J. S., Kirschner D. L., et al. 8. Structure of Large-Displacement, Strike-Slip Fault Zones in the Brittle Continental Crust // Rheology and Deformation of the Lithosphere at Continental Margins. — Columbia University Press, 2004. — P. 223–260. — doi: 10.7312/karn12738-009.
  31. Collettini C., Barchi M. R., De Paola N., et al. Rock and fault rheology explain differences between on fault and distributed seismicity // Nature Communications. — 2022. — Vol. 13, no. 1. — doi: 10.1038/s41467-022-33373-y.
  32. Collettini C., Tesei T., Scuderi M. M., et al. Beyond Byerlee friction, weak faults and implications for slip behavior // Earth and Planetary Science Letters. — 2019. — Vol. 519. — P. 245–263. — doi: 10.1016/j.epsl.2019.05.011.
  33. Dieterich J. H. Modeling of rock friction: 1. Experimental results and constitutive equations // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 1979. — Vol. 84, B5. — P. 2161–2168. — doi: 10.1029/JB084iB05p02161.
  34. Dixon N., Smith A., Flint J. A., et al. An acoustic emission landslide early warning system for communities in lowincome and middle-income countries // Landslides. — 2018. — Vol. 15, no. 8. — P. 1631–1644. — doi: 10.1007/s10346-018-0977-1.
  35. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., et al. 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. — 2017. — Vol. 53, no. 4. — P. 333–355. — doi: 10.3103/S0747923917040041.
  36. Fagereng A. and Sibson R. H. Mélange rheology and seismic style // Geology. — 2010. — Vol. 38, no. 8. — P. 751–754. — doi: 10.1130/G30868.1.
  37. Foulger G. R., Wilson M. P., Gluyas J. G., et al. Global review of human-induced earthquakes // Earth-Science Reviews. — 2018. — Vol. 178. — P. 438–514. — doi: 10.1016/j.earscirev.2017.07.008.
  38. Gibowicz S. J. and Kijko A. Introduction to Mining Seismology / ed. by R. Dmowska. — Elsevier Science & Technology Books, 2013.
  39. Hanks T. C. and Kanamori H. A moment magnitude scale // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 1979. — Vol. 84, B5. — P. 2348–2350. — doi: 10.1029/JB084iB05p02348.
  40. Ikari M. J., Marone Ch. and Saffer D. M. On the relation between fault strength and frictional stability // Geology. — 2011. — Vol. 39, no. 1. — P. 83–86. — doi: 10.1130/g31416.1
  41. Kanamori H. The energy release in great earthquakes // Journal of Geophysical Research. — 1977. — Vol. 82, no. 20. — P. 2981–2987. — doi: 10.1029/JB082i020p02981.
  42. Kocharyan G., Qi Ch., Kishkina S., et al. Potential triggers for large earthquakes in open-pit mines: A case study from Kuzbass, Siberia // Deep Underground Science and Engineering. — 2022. — Vol. 1, no. 2. — P. 101–115. — doi: 10.1002/dug2.12028.
  43. Kocharyan G. G., Ostapchuk A. A., Pavlov D. V., et al. The Effects of Weak Dynamic Pulses on the Slip Dynamics of a Laboratory Fault // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2018. — Vol. 108, 5B. — P. 2983–2992. — doi: 10.1785/0120170363.
  44. Kwiatek G., Plenkers K. and Dresen G. Source Parameters of Picoseismicity Recorded at Mponeng Deep Gold Mine, South Africa: Implications for Scaling Relations // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2011. — Vol. 101, no. 6. — P. 2592–2608. — doi: 10.1785/0120110094.
  45. Li B., Li N., Wang E., et al. Discriminant Model of Coal Mining Microseismic and Blasting Signals Based on Waveform Characteristics // Shock and Vibration. — 2017. — Vol. 2017. — P. 1–13. — doi: 10.1155/2017/6059239.
  46. Locchi M. E., Scognamiglio L., Tinti E., et al. A large fault partially reactivated during two contiguous seismic sequences in Central Italy: The role of geometrical and frictional heterogeneities // Tectonophysics. — 2024. — Vol. 877. — P. 230284. — doi: 10.1016/j.tecto.2024.230284.
  47. Lu C.-P., Liu Y., Zhang N., et al. In-situ and experimental investigations of rockburst precursor and prevention induced by fault slip // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2018. — Vol. 108. — P. 86–95. — doi: 10.1016/j.ijrmms.2018.06.002.
  48. Ma J., Zhao G., Dong L., et al. A Comparison of Mine Seismic Discriminators Based on Features of Source Parameters to Waveform Characteristics // Shock and Vibration. — 2015. — Vol. 2015. — P. 1–10. — doi: 10.1155/2015/919143.
  49. Ostapchuk A., Morozova K., Markov V., et al. Acoustic Emission Reveals Multiple Slip Modes on a Frictional Fault // Frontiers in Earth Science. — 2021. — Vol. 9. — doi: 10.3389/feart.2021.657487.
  50. Oye V. Source Parameters and Scaling Relations for Mining-Related Seismicity within the Pyhasalmi Ore Mine, Finland // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2005. — Vol. 95, no. 3. — P. 1011–1026. — doi: 10.1785/0120040170.
  51. Richardson E. Seismicity in Deep Gold Mines of South Africa: Implications for Tectonic Earthquakes // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2002. — Vol. 92, no. 5. — P. 1766–1782. — doi: 10.1785/0120000226.
  52. Scholz C. H. Large Earthquake Triggering, Clustering, and the Synchronization of Faults // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2010. — Vol. 100, no. 3. — P. 901–909. — doi: 10.1785/0120090309.
  53. Sibson R. H. Thickness of the Seismic Slip Zone // Bulletin of the Seismological Society of America. — 2003. — Vol. 93, no. 3. — P. 1169–1178. — doi: 10.1785/0120020061.
  54. Smith S. A. F., Bistacchi A., Mitchell T. M., et al. The structure of an exhumed intraplate seismogenic fault in crystalline basement // Tectonophysics. — 2013. — Vol. 599. — P. 29–44. — doi: 10.1016/j.tecto.2013.03.031.
  55. Tinti E., Casarotti E., Ulrich T., et al. Constraining families of dynamic models using geological, geodetic and strong ground motion data: The Mw 6.5, October 30th, 2016, Norcia earthquake, Italy // Earth and Planetary Science Letters. — 2021. — Vol. 576. — P. 117237. — doi: 10.1016/j.epsl.2021.117237.
  56. Volpe G., Pozzi G. and Collettini C. Y-B-P-R or S-C-C’? Suggestion for the nomenclature of experimental brittle fault fabric in phyllosilicate-granular mixtures // Journal of Structural Geology. — 2022. — Vol. 165. — P. 104743. — doi: 10.1016/j.jsg.2022.104743.
  57. Walsh F. R. and Zoback M. D. Probabilistic assessment of potential fault slip related to injection-induced earthquakes: Application to north-central Oklahoma, USA // Geology. — 2016. — Vol. 44, no. 12. — P. 991–994. — doi: 10.1130/G38275.1.
  58. Wiemer S. A Software Package to Analyze Seismicity: ZMAP // Seismological Research Letters. — 2001. — Vol. 72, no. 3. — P. 373–382. — doi: 10.1785/gssrl.72.3.373

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Остапчук А.A., Морозова К.G., Беседина А.N., Гридин Г.A., Григорьева А.V., Павлов Д.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.