MÄENDUSE MAINE

78 TTÜ Mäeinstituut

20. KUIDAS PUUDUTAB SEISMOLOOGIA KAEVANDAMIST?

Heidi Soosalu Eesti Geoloogiakeskus, TTÜ Mäeinstituut Ingo Valgma TTÜ Mäeinstituut

Väheseismilistes piirkondades litosfäärilaamade sees on maavärinad tavaliselt väiksed ja kahe järgneva maavärina vahel mööduv aeg pikavõitu. Nii on olukord ka Eestis, kus registreeritakse keskmiselt kahe aasta jooksul üks kohalik maavärin, mida üldjuhul inimesed vaevalt märkavad. Seismoloogidele jätkub siiski siingi tegutsemist, sest seismilisi sündmusi tuvastatakse ja lokaliseeritakse Eesti alal ja lähiümbruskonnas keskmiselt seitsekümmend ühe kuu jooksul. Enamasti on need põlevkivi ja paekivi karjääride lõhkamised. Loodussündmuste ja inimtegevuse seismoseire Võib-olla üllatavalt on seismoloogia ka poliitiline teadusharu. Selleks kujunes see teise maailmasõja järgsel ajal, kui suurriigid hakkasid katsetama oma tuumarelvi megatonniliste plahvatustega, muidugi nii salaja, kui võimalik. Paraku seismilised lained riigi piiri peal ei peatu, vaid jõuavad üle maailma tundlike seismojaamadeni. Et tuumakatseid teinud riik ei saaks väita, et juhtumid oli vaid tavalised maavärinad, oli seismoloogidel vaja välja töötata metoodika, millega vahet teha loodusliku ja tehnogeense sündmuse vahel. Praeguseks on võimalik digitaalkujul signaali põhjaliku analüüsi abil küllaltki usaldusväärselt määrata, kas näiteks üks väike sündmus Eestimaal võiks olla maavärin, või on see ikkagi üks tavaline karjääri lõhkamine. Seismomeeter mõõdab maa võnkumise kiirust pendli abil. Kaasaegsetes seismomeetrites on kolm komponenti: üks mõõdab vertikaalsuunas ja kaks horisontaalselt (orienteeritud põhja-lõuna ja ida-lääne suunas). Seismogramm kujutab seismilise sündmuse lainesisaldust ajavaldkonnas. Seismilisi lained on kolme tüüpi. Kõige kiiremini levivad piki- ehk primaarlained (P) ja peale neid jõuavad kohale rist- ehk sekundaarlained (S). P-laine kiirus maakoores on tüüpiliselt 2-6 km/s ja S-laine on sellest umbes 1,7 korda aeglasem. Piki- ja ristlaine kohalejõudmise vahel möödunud aja järgi saab hinnata, kui kaugel seismojaamast sündmus toimus. Ristlainetest aeglasemalt levivad veel kahte tüüpi pinnalained, seda suuremana mida maapinnale lähemal sündmus toimus. Maavärina ja plahvatuse või lõhkamise mehhanismid on väga erinevad. Maavärin toimub murrangus, kus kaks kivimiplokki nihkub üksteisest mööda. Sõltudes vaatluspunkti asukohast on maavärina tekitatud esimese võnke suund kas tõmme või tõuge. Plahvatuse puhul on aga esimene võnge igas vaatlussuunas tõuge. Seismoanalüüsi käigus vaadeldakse signaale ka sagedusvaldkonnas. Sarnaselt valgusele, või igale lainekujulisele signaalile, on seismogrammile võimalik arvutada spekter, mis toob esile signaali sagedussisalduse. Tavaliselt koostatakse spektrogramm, mis kujutab, kuidas spektri sagedused ja tippude amplituudid muutuvad aja jooksul. Maavärina ja plahvatuse spektrogrammid on üksteisest erinevad. Näiteks kohalik väike maavärin sisaldab enam-vähem tasaselt igasuguseid sagedusi umbes 2–20 Hz vahemikus. Plahvatuse spektrogramm näeb „triibuline“ välja, koosnedes peamiselt mõnest teravast kindla sagedusega kõrgeamplituudilisest tipust. Seismoseire Eestis Seismoanalüüsi eest Eesti alal vastutab Eesti Geoloogiakeskus, mis peab üleval kolme seismojaama võrku. Seismilise analüüsi teostamiseks on see absoluutne miinimum. Olukorda päästab koostöö naabrimaadega, sest andmeid vahetatakse Soome Helsingi Ülikooli Seismoloogia Instituudiga. Lisaks saadakse andmeid ka ühest Läti seismojaamast. Kokku on kasutusel 14 jaama võrk, mis võimaldab juba korraliku analüüsi tegemise (Joonis 20-1). See võrk katab võrdlemisi hästi põlevkivimaardla, kust registreeritakse enamus sündmustest, mille põhjuseks on Aidu ja Narva karjääride lõhkamised. Paraku on jaamad põlevkivimaardlast võrdlemisi kaugel: kõige lähemgi, Vasula jaam, umbes 100 km kaugusel. Kõige väiksemad sündmused, mida selline võrk suudab põlevkivimaardla piirkonnast

MÄENDUSE MAINE

79 TTÜ Mäeinstituut

tuvastada, on magnituudiga umbes 1. Tüüpiliselt on Eesti lõhkamised seismiliselt suurusega kuni

magnituudini 2.

Seismoanalüüsi käigus võrdleb seismomeetriga ühendatud arvuti automaatselt registreeritava seismilise signaali lühiajalist ja pikaajalist amplituudi. Kui nende suhe on piisavalt suur (künnisarv on seismoloogi poolt määratud) ja vähemalt kolmes jaamas korraga registreeritud, tuvastab süsteem sündmuse ja teeb automaatse lokaliseeringu. Alati on siiski vaja inimest, kes manuaalselt kontrollib, kas tegemist on tõelise sündmuse või „valehäirega“, ja kes ka täpsustab vaatlused. Kui on kahtlus signaali tekitanud sündmuse iseloomus, otsustab inimene automaatselt koostatud spektrogrammi vaatlemise põhjalt, kas tegemist on maavärina või lõhkamisega. Seismilistel lokaliseeringutel on alati teatud võrra ebatäpsust, seda rohkem mida kaugemal on jaamad ja mida vähem neid on. Praeguses Eesti olukorras saab sündmuse asukohta pidada rahuldavalt lokaliseerituks, kui selle statistiline ebatäpsus on +/- 5 km. Tüüpilise näitena on joonisel 2 Eestis ja lähiümbruses jaanuarist oktoobrini 2008 lokaliseeritud seismilised sündmused. Ideaalses olukorras on seismoloogil teada kõik alad, kus ja kunas lõhatakse. See hõlbustab tunduvalt igapäevast analüüsi, kui on teada, et teatud piirkonnas, teatud nädalapäevadel ja kellaaegadel toimuvad sündmused on väga tõenäoliselt teatud karjääri lõhkamised. Eesti olukord on selles mõttes hea, sest karjääride asukohad ning nende sees aktiivselt kasutatavad alad on väga täpselt teada ja paljud lõhkajad (Eesti Põlevkivi, Kunda Nordic Tsement, Nordkalk ja Kaitsevägi) edastavad Eesti Geoloogiakeskusele oma lõhkamiste nimekirju. Reeglina lõhatakse Eesti karjäärides argipäeviti ja tööajal.

Joonis 20-1 Eesti seismojaamad ning meie seismoanalüüsis regulaarselt kasutatavad Soome ja Läti seismojaamad. Märgitud on seismovõrgu suhtes Aidu (A) ja Narva (N) karjääride asukohad, kust kõige rohkem seismilisi sündmusi registreeritakse. Üldreeglina rahuldava lokaliseeringu tingimuseks on, et sündmused asuvad võrgu sees, st. kõige suurem kahe jaama vaheline nurk on <180˚. Aidu puhul see olukord saavutatakse, aga Narva puhul mitte päris.

MÄENDUSE MAINE

80 TTÜ Mäeinstituut

Varingud Estonia kaevanduses Kuigi tuntud kaevandataval alal toimuv seismiline sündmus – võib-olla isegi oodataval nädalapäeval ja kellaajal – on tõenäoliselt üks tavaline lõhkamine, ei pruugi see alati nii olla. Näiteks 2008. aastal registreeriti põlevkivimaardla alalt kaks seismilist sündmust, mis osutusid hoopis kaevandusvaringuteks. Esimene toimus esmaspäeva ööl 21. jaanuaril kell 01:30 ja selle magnituudiks määrati 1,8. Järgmine toimus teisipäeva ööl 2. juulil kell 01:44 ja selle magnituud oli 2,0. Seismoanalüüsi järgi oli mõlema asukoht Estonia kaevandus (Joonis 20-3). Nende sündmuste haruldane öine kellaaeg tekitas kohe kahtlust millestki ebaharilikust. Kinnituseks sellele, et tegemist ei saanud olla tavapärase lõhkamisega, olid signaalide kujud ja nende spektrogrammid. Need olid väga erinevad lõhkamiste signaalide kujust, aga ei meenutanud ka maavärinate signaale.

Joonis 20-2 Eesti Geoloogiakeskuse poolt lokaliseeritud sündmused jaanuaris – oktoobris 2008 (kollased täpid). Jooned näitavad lokalisatsioonide hajuvust. Paekivikarjäärid: Ha – Harku, Ka – Karinu, Ku – Kurevere, Lõ – Lõuna-Aru, Va – Vasalemma, Vä – Väo. Põlevkivikarjäärid: Ai – Aidu, Na – Narva. Es: Estonia kaevandus. Kaardile on märgitud ka punaste kolmnurkadega Eesti seismojaamade ja Läti jaama asukohad.

MÄENDUSE MAINE

81 TTÜ Mäeinstituut

Joonis 20-4 on esitatud ühe tüüpilise Aidu karjääri lõhkamise seismiline signaal (a) ja võrdluseks Estonia kaevanduses jaanuaris 2008 toimunud varingu signaal (b). Mõlemad on registreeritud Vasula jaamas Tartu lähedal. Estonia varingu signaal sisaldab põhiliselt madalaid sagedusi, aga Aidu lõhkamise signaali spekter on selgelt laiem. Lõhkamisele tüüpiliselt on Aidu signaal ka triibuline, mida on sel spektrogrammil nõrgalt näha. Estonia kaevanduse varing toimus ilmselt selle tõttu, et kasutatud kambrite kõrguse – 3,8 m ja pudeda lae kohta olid valitud tervikute mõõtmed liiga väikesed (ca. 40 m2

). Kuna varing toimus metsas, siis ohtu ehitistele ei tekkinud (Joonis 20-5). Estonia kaevandus asub põlevkivimaardla sügavaimas– lõunaosas (Joonis 20-3). Varingute toimumiskohas on kattekivimite paksus 52 meetrit ja kaeveõõnte (kambrite) kõrgus 3,8 meetrit. Varingu keskmine ulatus maapinnal on 70 x 130 meetrit (Joonis 20-5). Seega varises kivimimassiivi alumine osa kuni 3,8 meetrit, ülemine osa aga kuni 2 meetrit allapoole (Joonis 20-6). Kattekivimid koosnevad sel alal enamasti lubjakivist ja osaliselt ka kvaternaarsetest setetest. Kambriploki tervikute purunemise tõttu varises korraga ligikaudu 1 miljon tonni katendikivimeid keskmiselt 3 meetrit allapoole.

Joonis 20-3 Väljavõte põlevkivimaardla alalt, kus on esitatud lokaliseeritud seismilised sündmused (lõhkamised ja varingud), jaanuaris–oktoobris 2008

MÄENDUSE MAINE

82 TTÜ Mäeinstituut

a)

b)

Joonis 20-4 a) Tüüpiline Aidu lõhkamise seismiline signaal (sündmuse magnituud on 2,0) ja selle spektrogramm. b) Estonia 2008 a. jaanuarikuu varingu signaal (magnituud 1,8) ja selle spektrogramm. Esitatud on seismogrammide vertikaalne komponent.

Varingute põhjused Kaevandusvaringul võib olla kaks põhjust – kas murdub lagi või puruneb tervik, mis lage üleval hoiab. Terviku purunemine toob kaasa lae murdumise. See, et lagi variseb, on kaevanduses igapäevane nähtus. Need varingud on lokaalsed ja lubatud kohtades, kus inimesed ei tööta. Variseb vahetu, e. kaeveõõne laekivimitest koosnev lagi. Põhilagi – mis ka maapinda üleval hoiab, tavaliselt ei varise. Põhilagi võib variseda juhul kui katendikivimite paksus on nii väike, et varing progresseerudes maapinnani jõuab, või kui purunevad tervikud nii, et põhilae kivimitest moodustuv tala murdub. Kuna kaevandamisel jagatakse kaevandamisala plokkideks või jaoskondadeks, siis varingu korral ongi ohus üks jaoskond, e. kambriplokk. Kambriploki sees olevad tervikud on väiksemad kui plokki piiravad tervikud ja võivad puruneda suurema tõenäosusega. Plokki piiravad tervikud on ette nähtud püsima igavesti ja ei purune.

MÄENDUSE MAINE

83 TTÜ Mäeinstituut

Joonis 20-5 Estonia varingu murdejoonel on näha puude kaldumist varingu suunas

Joonis 20-6 Osa varingupinnast (21.01.2008) maapinnal ja profiil, suurim vajumine on 2 meetrit Lõhketööde mõjul on tervikute pinnakihid nõrgestatud. Seespool on terviku kivim oluliselt suurema tugevusega (Joonis 20-7,Joonis 20-8). Laekivimite varisemise korral kukuvad kivimiplaadid järkjärgult alla ja varing progresseerub maapinna suunas (Joonis 20-9,Joonis 20-10).

MÄENDUSE MAINE

84 TTÜ Mäeinstituut

Joonis 20-7 Tervikud hakkavad purunema pinnalt kuna sinna kogunevad suurimad pinged (Estonia kaevandus)

Joonis 20-8 Pinge nõrgestab terviku pinda ja terviku hakkab kihthaaval murenema (Estonia kaevandus)

Joonis 20-9 laekivimite varingu progresseerumine Astangul ja Sillamäe uraanikaevanduses

MÄENDUSE MAINE

85 TTÜ Mäeinstituut

Joonis 20-10 Tuntuim varinguauk Eestis - Kukruse kaevanduse peaveostollide lõõri laekivimite varing. Piusa liivakaevanduse laekivimite varing. Astangu laskemoonalao stolli lae varinguvõlv

Varingute ärahoidmiseks kasutatakse üledimensioneeritud tervikuid, toestikku või kaevanduste täitmist. Tänapäeval on otstarbekas kasutada täitematerjalideks elektrijaama tuhka ja aheraine lubjakivi. Selleks tuleb välja töötada uued täitmisega kaevandamise süsteemid, mis tagavad: a) maapinna püsivuse, b) kadude vähendamise, c) CO2 heitmete vähenemise, d) keskkonnatasude vähenemise (tuha ja aheraine ladustamine), e) maavara kaevandamisõiguse tasu optimaalse kasutamise. Täitmisviis võib olla hüdrauliline, pneumaatiline, mehaaniline jm. Täitemassiiv võib olla kivistuv (elektrijaama tuhk + lubjakivi + vesi) või mittekivistuv (lubjakivi, elektrijaama SO2-ga seotud tuhk). Varingute ulatuse, põhjuste, vastumeetmete ja kaevanduste täitmise teemalisi uuringuid on tehtud Eestis läbi aegade. Viimased katsed tehti eelmise sajandi lõpul Kiviõli kaevanduse täitmisel nii põlevkivi kui fosforiidi aheraine ja põlevkivituha baasil. Eelmise sajandi alguses kasutati osalist käsitsi täitmist. Praegu vaagitakse laustäitmise võimalikkust. Projektide ja teemaga seotud artiklite viiteid leiate aadressidelt: http://mi.ttu.ee/projektid ja http://mi.ttu.ee/artiklid/ . Seismoloogiast on kaevandajale kasu Seismoloog on erapooletu vaatleja, kes saab sekunditäpsusega öelda, kunas teatud seismiline sündmus toimus. Sündmuse asukoha saab ta määrata, aga selle täpsus oleneb muuhulgas sellest, kui tihe on seismojaamade võrk, kui lähedal jaamad asuvad ja kui tõele vastav maakoore seismiliste lainete kiirusmudel on kasutusel. Näiteks põlevkivimaardla piires on asukoha täpsus tüüpiliselt +/- mõni kilomeeter. Seismoloogiaga saab tuvastada sündmusi, mis võiksid muidu kahe silma vahele jääda, näiteks varinguid kõrvalistes kohtades asuvates kaevanduskäikudes. Mingi muu meetodiga ei saavutata sellise sündmuse puhul vastavat toimumisaja määramise täpsust. Seoses 2008 aasta Estonia varingute uuringuga selgus arutelus Helsingi Ülikooli Seismoloogia Instituudi analüüsimeeskonnaga, et Helsingi võrk on ka varem tuvastanud Eesti alalt sarnaseid ebahariliku välimusega signaale. Nõukogude ajal oli soomlastel võimatu õiget infot varingutaoliste sündmuste kohta saada ja sellepärast oli mõttetu nende iseloomu üle spekuleerida. Selliste signaalide varasem registreerimine võimaldab Eesti kaevanduste varingute seismiliste signaalide retrospektiivset uurimist, mida praegu plaanime. Selleks on Eestist olemas digitaalkujul seismogramme alates 21. sajandi algusest, Lõuna-Soomest ilmselt ka varasematest aastatest. Võimalik oleks ka näiteks selline olukord, et toimuks looduslik maavärin, mis tekitab kahjustusi. Kui see toimuks kaevandatud ala läheduses, võiksid kohalikud elanikud väita, et see oli lõhkamine, mis nende majadele pragusid tekitas. Siis saaks seismoloog oma spektrogrammidega näidata, et väga tõenäoliselt on sündmus ikkagi looduslik maavärin. Kuigi on ka võimalik, et maavärin võib olla kaevandamise käigus muutunud stressivälja poolt tekitatud. Artikkel on seotud uuringuga Grant ETF7499 „Säästliku kaevandamise tingimused“.