Rockmass reaction to blasting in mines studied by local induced seismicity
Patlatma sonucunda oluşan yerel tetiklenmiş sismisitenin kaya kütlesi davranışı üzerindeki etkisinin araştırılması
Yazar: İREM ERGUNCU GÜÇLÜ
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH KARAMAN ; PROF. DR. SAVKA DINEVA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Çok küçük manyetütlü depremlerin incelenmesini konu alan tetiklenmiş sismisite, yer bilimleri açısından oldukça önemlidir. Tetiklenmiş sismisite sismoloji araştırmalarının bir alt kolu olup, akustik emisyon ve doğal kaynaklı depremlerin arasında yer almaktadır. İndüklenmiş sismisite çalışmaları; doğal gaz ve petrol üretim kuyularında, jeotermal kaynaklarının üretim ve geri besleme kuyularında, baraj ve göl çevrelerinde, atık su depolarının çevresinde ve yer altı işletmelerinde etkin olarak kullanılmaktadır. Tetiklenmiş sismisite çalışmaları ile sismik aktivitelerin lokasyonlarının belirlenmesi, sismik aktivitelerinin oluşum mekanizmalarının anlaşılması ve kaya patlamalarının veya çökmelerinin sebepleri araştırılmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, yer altı maden işletmelerinde meydana gelen küçük manyetütlü tetiklenmiş depremler incelenmiş ve çevre kayacın bu sismik aktivitelere verdiği tepkiler değerlendirilmiştir. Birçok maden sahası kendine özgü, karakteristik olarak nitelenebilecek şekilde sismik yönden aktiftir. Yapılan çalışmalar, maden sahalarının jeolojik özellikleri ve maden üretim yöntemi aynı olsa bile sismik aktivite seviyelerinin birbirlerinden çok farklı olabileceğini göstermektedir. Ancak bu farklı sismik aktivite seviyelerinin nedenleri henüz açıklanabilmiş değildir. 
Tetiklenmiş sismik aktiviteler genel olarak çok düşük manyetütlü yapay depremler olarak tanımlanmaktadır ve yer içinde meydana gelen dış etkiler sonucunda (madenler için üretim patlatmaları veya üretim yönteminin doğasından kaynaklanan) bölgedeki stress dağılımı değişmektedir. Ancak tetiklenmiş sismik aktivitinin meydana gelmesindeki önemli etkenlerden biri de kayaç içindeki stress dağılımı olmakla birlikte, yapılan çalışmalar kayaçtaki porozite değişimi ve ani enerji yayılımlarının da bölgede tetiklenmiş sismik aktivitelere neden olduğunu göstermektedir. 
Yer altı maden işletmeleri tetiklenmiş sismik aktivitenin oluşmasında önemli rol oynamaktadır. Cevher ve çevre kayacın yapısı, maden üretim yöntemi, maden dizyanı ve derinlik tetiklenmiş sismik aktivite seviyesini etkileyen parametreler olarak sayılmaktadır. Günümüze kadar yapılan çalışmalar, tetiklenmiş sismitenin derinlikle birlikte arttığını ancak yüzeye yakın yer altı işletmelerinde de göreceli olarak yüksek manyetütlü aktiviteler olabildiğini göstermiştir (kaya patlamaları ya da taban çökmesi). Bu nedenle üretim seviyesi derinleştikçe, kaya patlamaları gibi ölümcül ve hasarlı kazaların görülmesi sıklaşmaktadır. Sismik aktivitelerin lokasyonları ve ativitelerin göreceli olarak artış gösterdiği zamanların doğru olarak belirlenmesi önemlidir. Özellikle üretim patlatmalarının hemen sonrasında tetiklenmiş sismisitede normalin çok üstünde artışlar gözlemlenmektedir. Unutulmaması gereken diğer önemli bir konu ise sismik aktiviteki benzer artışlar kaya patlamaları gibi kazaların sonucunda da görülebilmektedir. Öte yandan tetiklenmiş sismisitenin sonuçları göz önünde bulundurularak madene yeniden giriş kuralları düzenlemekte, üretim yöntemleri güncellenebilmekte ve maden tahkimat yöntemi değiştirilebilmektedir. 
Tez çalışması kapsamanında İsveç'in güneyinde yer alan Zinkgruvan ve Garpenberg metal madenlerinden elde edilen veriler değerlendirilmiştir. Zinkgruvan ve Garpenberg yeraltı işletmeleri, İsveç'te günümüzde halen işletilmeye devam eden en eski madenlerdendir ve birbirlerine olan uzaklıkları yaklaşık olarak 200 km'dir. Her iki işletmede de çinko, gümüş ve kurşun cevherleri bulunmakta, yüzeyden ortalama 1000 m derinde üretim devam etmektedir. Zingkruvan maden sahası metasediman ve metavolkanik kayaçlarla karakterize edilmektedir. Günümüzde aktifliği tartışmalı olan iki fay yapısı ortaya konmuştur ve bu fay sistemlerinin hareketleri sonucunda metal cevheri günümüzdeki halini almıştır. Maden sahasındaki üretimler bütün cevher parçalarında devam etmektedir. Garpenberg maden sahası ise daha karmaşık bir jeolojik yapının üstüne kurulmuştur. Maden sahasınında içinde bulunduğu kıvrım yapısı ve farklı metamorfizma olaylarının sonucunda cevher bölünmüş ya da yakın ancak farklı lokasyonlarda yeniden oluşmuştur. Ancak, Garpenberg'deki cevher Zinkgruvan cevherine kıyasla daha az zarar görmüştür. 
Zinkgruvan Madeninde 2 Temmuz 2015 günü, yerel saat ile 15:00 sularında, 1100 metre derinde kaya patlaması gerçekleşmiştir. Meydana gelen bu kazada tünel kapanmış ve üretime bir süre ara verilmiştir, çalışmada bu olayın sebepleri ve civar kayaçların tepkisi araştırılmıştır. Ayrıca Garpenberg Madeni'nde 8-13 Ekim 2015 tarihleri arasında kaydedilen tetiklenmiş sismik aktiviteler incelenmiş, ancak madende bu süre zarfında herhangi bir kritik kaza olmamıştır. Garpenberg Maden'inde iki farklı sismik ağ bulunmaktadır. Bölgesel ağ yüzeyden 720 metre derinde ve toplamda 16 kayıtçıdan oluşmaktadır. Bu kayıtçılar aynı yatay düzlemde konumlandırılmıştır. Diğer yandan Kalıcı ağ maden içinde farklı seviyelerde konumlandırılmış, toplam 19 kayıtçıdan bulunmakta ve bu kayıtçılar genel olarak Yerel ağın daha altında bulunmaktadır.
Zinkgruvan madeninde 1-2 Temmuz 2015 tarihleri arasında 3000 den fazla sismik aktivite kaydedilmiştir. Ancak veri işlem aşamasında 271 veri incelenmiştir. Veri işlemi yapılacak olan sismik aktivilerin belirlenmesinde iki farklı kriter göz önünde bulundurulmuştur. Bunlardan ilki, sismik aktivitenin manyetütü küçüldükçe daha az kayıtçı tarafından kaydedileceği için, 15 veya daha fazla kayıtçı tarafından kaydedilmiş olan sismik aktiviteler değerlendirmeye alınmıştır. İkinci kriter ise üretim patlatmasından (12:00) 3 saat öncesinden gün sonuna kadar olan kayıtlar dikkate alınmıştır. Madenin genel sismik aktivite karakteristiğine bakıldığında, patlatma sonrası kaydedilen sismik aktivite oldukça fazla olmaktadır. 
1-2 Temmuz 2015 tarihlerinde kaydedilen ve veri işlemleri gerçekleştirilen tetiklenmiş sismik aktivitelerin yaklaşık %63'ü shear kaynaklıdır. Toplamda 4 büyük (Mw>0) tetiklenmiş sismik olay kaydedilmiştir. Bunlardan sadece bir tanesi 1 Temmuz 2015'de kaydedilmiştir. İki günlük kayıtların içerisindeki en büyük moment magnitütlü sismik aktivite ise 2 Temmuz 2015 gününde yapılan patlatma kaydı içinde görülmüş ve moment manyetütü 1.2 olarak bulunmuştur. Aynı gün kaydedilen diğer iki tetiklenmiş sismik olayların moment manyetütleri ise 0.4 ve 0.2 olarak hesaplanmıştır.
1 Temmuz 2015 tarihinde kaydedilen tetiklenmiş depremlerin yaklaşık olarak 135 tanesi veri işlem aşamasından geçmiştir ve odak noktalarının genel olarak bir hat üzerinde toplandığı gözlemlenmiştir. 1 Temmuz 2015 tarihinde, üretim patlatmasından yaklaşık 15 dakika sonra, moment manyetütü 0.6 olan tetiklenmiş sismik aktive kaydedilmiştir ve bu tetiklenmiş aktivitenin dinamik parametreleri, gün içinde kaydedilen diğer tetiklenmiş depremlerden daha yüksektir. Bu sismik olayın sonucunda açığa çıkan toplam enerji neredeyse günün geri kalanında kaydedilen sismik olaylarda elde edilen toplam enerji yayılımından fazladır. Dinamik kaynak parametreleri genel anlamda göreceli olarak düşük seviyede kalmıştır. Üretim patlatmasından sonraki ilk yarım saatte toplamda 200'den fazla kayıt alınmış olmakla birlikte, patlatmadan yaklaşık 1.5-2 saat sonrasında, sismik aktivite seviyesi patlatma öncesine geri dönmüştür. 
2 Temmuz 2015 tarihindeki kayıtlar, kaya patlaması sebebi ile ancak saat 17:00 sularına kadar alınabilmiş ve yaklaşık olarak 131 tetiklenmiş depremin veri işlemi yapılmıştır. Tetiklenmiş sismik aktivitelerin odak noktalarına bakıldığında genel eğilimin, 1 Temmuz 2015 tarihinde oluşan sismik olaylara dik olacak şekilde ters doğrultuda yoğunlaştığı görülmektedir. Ancak 2 Temmuz 2015 günü kaydedilen en büyük moment magnitütlü depremlerin ise mevcut yönelimin sol-altında olduğu görülmüştür. Dinamik kaynak parametrelerinin kesinlikle 1 Temmuz 2015'de kaydedilen sismik aktivitelerin parametreleri ile uyumlu olmadığı gözlemlenmiştir. Ancak 2 Temmuz günü kaydedilen sismik olayların dinamik kaynak parametreleri neredeyse her zaman 1 Temmuz sismik aktivilerinin sonuçlarından daha büyük çıkmaktadır. En ilgi çekici kısım ise, sismik aktivitelerin sonucunda ortama yayılan enerjilerin kümülatif değerlerine bakıldığında, dört farklı zamanda enerji sıçramaları görülmüştür. Her ne kadar dinamik kaynak parametreleri daha yüksek olsa da, kaydedilen bütün bu sismik aktivitelerin kaya patlamasına neden olup olmadığı açıklanamamaktadır. Çünkü kaya patlamasına neden olan kırık yapılarının ortamda zaten oluşmuş olma olasılığı mevcuttur. Patlatmalar sonucunda kırık yapıları derinleşmiş ve sismik olaylar bu kırık zonları üzerinde gerçekleşmiş olabilir. Ya da sismik aktivitelerin etkisi ile kırık yapıları oluşmuş ve bu yapıların giderek zayıflaması sonucunda mevcut hasar oluşmuş olabilir. 
Garbenberg Maden sahasında 2012 yılından beri tetiklenmiş sismik aktiviteler gözlenmektedir. Üretim sahası içinde iki farklı sismik şebeke kurulmuştur. Yerel sistem 50×40 metrekarelik bir alana yerleştirildiğinden, göreceli olarak daha küçük manyetütlü sismik aktivitelere daha duyarlıdır. 10 Ekim 2015 tarihinde yapılan üretim patlatmasının Yerel sisteme yakın olmasından dolayı, Yerel sistemin kaydettiği sismik aktivite sayısında kayda değer bir artış görülmüştür. Diğer yandan Kalıcı sistem bütün maden içine dağıldığından, bölgesel patlamaların sonucunda ortaya çıkan tetiklenmiş sismik aktivite sayısındaki artıştan etkilenmemektedir. 10 Ekim 2015 günü yapılan patlatma kayıtları her iki sismik şebeke tarafından da kaydedilmiş ancak Kalıcı ağın kayıtlarından hesaplanan lokasyon tayini gerçek patlatma lokasyonuna daha yakın bulunmuştur. İki farklı ağın sonuçlarının farklı olmasından dolayı, çalışma iki sismik ağın kayıtlarının kinematik sonuçlarının karşılaştırmasına dayanmaktadır. 
Şebekelerin karşılaştırılabilmesi için her iki sistem tarafından kaydedebilecek kadar büyük manyetütlü sismik aktivite olması gerekmektedir. Bu nedenle iki sistem de kontrol edilmiş ve gürültülü kayıtlar tamamen göz ardı edilmiştir. Karşılaştırma sonucunda moment manyetütü 0'dan büyük 30 kayıt tespit edilmiştir. Bunlardan bir tanesi 10 Ekim 2015 patlatma kaydı olmasından ve 3 tane kayıt odak noktasının kalan tetiklenmiş depremlerin odağından çok farklı olmasından dolayı sonraki karşılaştırılmalara eklenmemiştir. Yerel ve kalıcı ağ haricinde, aynı sismik aktiviteden elde edilen kayıtların birleştirilmesi sonucunda Birleştirilmiş Veriseti oluşturulmuş ve karşılaştırmaya dahil edilmiştir. 
Karşılaştırmanın daha anlamlı olabilmesi için sismik aktiviteleri sensor kapsamasına göre ikinci bir sınıflamaya tabi tutulmuştur. Buna göre, sismik aktiviteler kayıtlarcıların ortasında kaldığında her üç verisetinin kinematik sonuçları benzer çıkmaktadır. Aksi durumda ise Kalıcı Şebeke ile Birleştirilmiş Veri seti odak sonuçları birbirine daha yakındır. 
Dinamik kaynak parametrelerinde ise yukarıda bahsedilen sınıflama sonuçları arasında benzerlik bulunamamıştır. Yerel Şebeke sonuçları, sismik aktivitelerin kaynağını shear olarak vermekte ve kalıcı ağdan ve Birleştirilmiş Veriseti'nden alınan sonuçların ancak düşük bir kısmı shear olay olarak çözümlenmiştir. 
Yapılan çalışmaların sonucunda yeraltı işletmelerinde, sismik aktivite ile patlatma arasında güçlü bir ilişki vardır. Patlatmalar eğer kayıtçılara yakın ise sismisitedeki artış daha belirgin olmaktadır. Dinamik kaynak parametleri ise yapılan veri işlem aşamaları ile ilişkili olmakla birlikte parametrelerin sismik dalganın ilerlediği yoldan da etkilendiği düşünülmektedir.

Abstract:
Elaborate manual processing of mining-induced seismic events following production blasting in two of the oldest underground Swedish mines (Zinkgruvan and Garpenberg) was carried out in order to obtain the most accurate possible solutions for kinematic and dynamic parameters and to obtain information about the reaction of the rock mass to blasting. The main problems for each mine were not the same so slightly different procedures were followed. Data used in the thesis was recorded by small scale temporary local seismic systems, consisting of 16 to 18 sensors, installed in both mines in 2015 to study the local site effects and ground motion from possible damaging seismic events. Additional data from the permanent mine-wide seismic system in Garpenberg was also used.
A rockburst event occurred on July 2, 2015 (Mw 1.2) at 15:01 during a blast at Zinkgruvan Mine that caused damage. The source parameters of the seismic events following the blast on July 2 were studied and compared with the parameters of the events following another blast on July 1 (in total 4517 waveforms from 271 events were analyzed).
The moment magnitude of all events ranged between -3.3 and 1.2. The events on July 1 and July 2 formed two separate large clusters (with length up to 60 to 80 m) with orientations of long axes perpendicular to each other. The largest moment magnitude events in each cluster were located at the edges of the corresponding clusters: Mw 0.6 event on July 1 was on the top of the first cluster, however, the Mw 1.2 event on July 2 was on the bottom of the other cluster. 
Dynamic source parameters of seismic events on July 1 and 2 showed consistently different values and relationships. In general the events on July 1 had smaller magnitudes, seismic moment, seismic energy, apparent stress and stress drop compared with the events on July 2. The source parameters relationships with each other were also examined and found different. 
The second case study was related to seismicity caused by production blasting in Garpenberg Mine. The parameters of the events within the period October 8 to 13, 2015 were studied. Three different datasets, for the same 30 events recorded  by the permanent seismic system, temporary local seismic system, and merged data from both systems, were used to test the sensitivity of the parameters to the number of sensors and their geometry, and to test if merging of the data could be of practical interest for the routine seismicity studies. The moment magnitude of the events varied between -1.4 and 0.9. In total 962 waveforms were analyzed. 
The results of the tests for the 30 studied events showed that the source locations of seismic event in the individual datasets (local and permanent) were not exactly the same and the differences between the locations could be up to 300 m depending on the azimuthal sensor coverage. In case of good sensor coverage, the hypocentral locations were more accurate and the difference between the locations obtained by each seismic system dataset was smaller than in case of bad sensor coverage. Some dynamic source parameters, on the other hand, were less affected by sensor coverage. However, it was found that a few dynamic parameters as energy, energy ratio (Es/Ep), apparent stress and stress drop were very sensitive to the geometry of the seismic system and change of up to 300% were observed in case of using different sensors datasets from sensors with bad coverage. The local network seismic energy was found to be always higher than the seismic energy obtained by the data from the permanent system independently on the sensor coverage. The consistent difference was attributed to underestimated correction for the attenuation, which affects more the results obtained from the permanent system with sensors generally at larger distances. A recommendation was made that the merged database should be used to obtain more accurate results, especially for hypocenter location, as the sensors of both systems together provide the best possible coverage but merging the data for calculation of dynamic parameters should be used with caution.
In conclusion, the results in this thesis can be divided into two parts: first, results related to the reaction of the rock mass to blasting for Zinkgruvan and Garpenberg Mine, and second, methodological results related to the sensitivity of the kinematic and dynamic parameters to the number and geometry of the sensor locations, and practical application for Garpenberg Mine. Valuable information was obtained also about the orientation of the cluster of seismicity after the damaging event on July 2, 2015 at Zinkgruvan mine.
This information can be useful to study the relationship between the damage and the source parameters and ultimately to improve the understanding the damage potential from seismic events in this the mines. All results could be used for further investigation on re-entry protocols for these two mines and seismic hazard assessment.