Współczesne grawimetry lądowe pozwalają na pomiar składowej pionowej ziemskiego pola siły ciężkości z częstotliwością większą od 1 Hz. Z tego względu mogły znaleźć zastosowanie w sejsmologii (Nawa i Sugihara, 2011; Niebauer, MacQueen i inn. 2011). Pierwszy z elementów grawimetryczno-hydrometrycznego systemu monitoringu wstrząsów górniczych na terenie GZW stanowi układ dwóch grawimetrów pływowych gPhoneX firmy Micro-g LaCoste (USA) o numerach seryjnych 155 i 157 umożliwiający obserwację zmian w polu siły ciężkości na terenach górniczych i pogórniczych (Kotyrba & Kortas, 2020, Kortas, 2020). Urządzenia te, zakupione przez Główny Instytut Górnictwa i uruchomione 30 października 2018 w ramach projektu European Plate Observing System - Poland (akronim EPOS-PL) współfinansowanego przez UE, były pierwszymi w Polsce grawimetrami tego typu. W ramach projektu EPOS-PL grawimetry zostały zintegrowane z sieciami satelitarnych obserwacji geodezyjnych GNSS oraz InSAR w ramach Global Geodetic Observing System (GGOS-PL++) (Sośnica et al. 2018).

Wzajemna odległość grawimetrów w linii której azymut wynosi 59,53° to 46,16 km. Położenie stacji 155 i 157 na tle mapy sytuacyjnej obrazującej rozkład czynnych i zlikwidowanych kopalń w obrębie GZW przedstawiono na rys. 1. Na rysunku przedstawiono również rozkład epicentrów 219 wstrząsów górniczych o magnitudach M = 2.1 - 4.0 zarejestrowanych przez sieć GRSS (grss.gig.eu) oraz grawimetry pływowe w okresie 01.11.2018-01.05.2020.

Rys. 1. Lokalizacja elementów systemu monitoringu grawimetryczno-hydrometrycznego wraz z epicentrami wstrząsów górniczych zarejestrowanych w okresie 01.11.2018 - 01.05.2020 na tle aktywnych i zlikwidowanych obszarów górniczych w GZW.
1 – wstrząs górniczy o energii z przedziału M = 2.1 - 4.0,     2 – stanowisko grawimetru pływowego gPhoneX,     3 – lokalizacja piezometru,     4 - obszary górnicze zlikwidowanych kopalń,     5 - obszary górnicze czynnych kopalń, M – klasy magnitud z liczbą zarejestrowanych wstrząsów.

Zadaniem grawimetrycznego systemu monitoringu wstrząsów jest ciągła rejestracja zmian składowej pionowej przyspieszenia siły ciężkości (g) w czasie w jednostkach mikro Gal [μGal] (1μGal=10^-8 m/s²) z częstotliwością 1 Hz. Poprzez całkowanie krzywej zmian g otrzymuje się dodatkowe parametry w postaci wartości amplitudy składowej pionowej prędkości drgań V oraz amplitudy składowej pionowej przemieszczenia podłoża P. Jednostkami prędkości są mikrony (10^-6 m) na sekundę [μ/s], a przemieszczenia pionowego mikrony [μ]. Szeregi czasowe zmian g, V, P wykorzystywane w monitoringu wstrząsów górniczych zapisywane są w dobowych plikach danych o binarnym BIN (częstotliwość próbkowania 5Hz) i tekstowym TSF (częstotliwość próbkowania 1Hz) formacie (Micro-g LaCoste, 2013b). Dane w pliku tekstowym TSF tworzone są przez uśrednienie wartości rejestrowanych z częstotliwością 5 Hz

Na pojedyncze stanowisko pomiarowe gPhoneX składają się trzy główne elementy: układ pomiarowy z czujnikiem zmian przyspieszenia siły ciężkości umieszczony na platformie ODIN służącej do automatycznego poziomowania układu pomiarowego (Micro-g LaCoste, 2016), moduł elektroniczny zawierający zegar rubidowy rejestrujący uniwersalny czas koordynowany (UTC) za pośrednictwem anteny GPS oraz system podtrzymywania zasilania UPS i komputer typu laptop do akwizycji danych poprzez program gMonitor (Micro-g LaCoste, 2013b). Producent systemu określa rozdzielczość pracy aparatury gPhoneX na 0,1 μGal, precyzję odczytu na 1μGal a całkowity szum systemu na maksymalnie 0,45 mGal/Hz½ (Micro-g LaCoste, 2013a). Dryft urządzenia nie powinien przekraczać 1,5 mGal/miesiąc i zwykle wynosi <500 μGal/m-c. Grawimetry gPhoneX 155 i 157 znajdują się obecnie w fazie końcowej stabilizacji dryftu, która trwa około dwóch lat (Micro-g LaCoste 2013b).

Grawimetr gPhoneX nr 155 pracuje na betonowym postumencie o wymiarach 1.1x1.1 m w piwnicy maszyny wyciągowej Szybu „Głowacki” Zabytkowej Kopalni „Ignacy” w Rybniku – Niewiadomiu (50°03’45”N, 18°28’00”E). Postument ma głębokość ok. 1.2 m i jest posadowiony bezpośrednio na piaskowcu karbońskim. Eksploatacja węgla jest prowadzona systemem ścianowym w odległości 0 – 2.5 km od stanowiska pomiarowego przez kopalnię „ROW” na głębokości około 1000 m w pokładach oznaczonych symbolami 700, 703, 706, 713/12, 714, zalegających w obrębie serii utworów górnego karbonu wyróżnianej stratygraficznie jako warstwy jaklowieckie.

Drugi grawimetr gPhoneX nr 157 zlokalizowany jest na analogicznym betonowym postumencie o wymiarach 1.3x1.3 m w Górnośląskim Obserwatorium Geofizycznym (GOG) wchodzącym w skład kompleksu budynków Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach (50°16’18”N, 19°01’35”E). GOG jest elementem Górnośląskiego Systemu Obserwacji Geofizycznych (GSOG) utworzonym w ramach wspomnianego wyżej projektu EPOS-PL (Mutke, Kotyrba, Lurka et al. 2019). Postument o głębokości ok. 1.5 m osadzony jest również na piaskowcu karbońskim. Zadaniem tego grawimetru jest rejestracja zmian g oraz parametrów pochodnych V i P na terenie, gdzie eksploatacja złóż surowców mineralnych w polu bliskim (do około 4-5 km) została zakończona a kopalnie zostały zlikwidowane. Najbliższą kopalnią węgla kamiennego prowadzącą eksploatację generującą wstrząsy sejsmiczne w rejonie tego stanowiska jest KWK „Murcki-Staszic”, której granica obszaru górniczego zlokalizowana jest w odległości ok. 7 km.

Czułość systemu

Analiza dotychczas zarejestrowanych zdarzeń grawitacyjnych wywołanych wstrząsami górniczymi z okresu od uruchomienia systemu (01.11.2018) do chwili obecnej (01.05.2020) pozwala ocenić że możliwość rejestracji danego wstrząsu górniczego jest ściśle uzależniona od jego magnitudy (energii) oraz od odległości od elementu systemu (jednego z grawimetrów gPhoneX). Oba grawimetry rejestrują ruchy górotworu wywołane prawie wszystkimi wstrząsami górniczymi z rejonu GZW, a także dalekie, długotrwałe zdarzenia sejsmiczne takie jak trzęsienia ziemi z obszaru całego globu. Nie wszystkie jednak wstrząsy są na tyle silne energetycznie i/lub nie wystąpiły dostatecznie blisko aby mogły zostać wyodrębnione na rejestracjach z szumu tła, a tym samym stać się przedmiotem dalszej analizy. Amplituda szumu wartości g zwykle zmienia się w przedziale ±20 μGal. Czasami zwiększa się ona do wartości maksymalnych ±100 μGal. W przypadku parametrów pochodnych V i P przeciętne wartości amplitud szumu wynoszą ±0.2 μ/s i ±0.2 μ, natomiast maksymalne ±1 μ/s dla V i ±1 μ dla P. Na podstawie analizy dotychczas zgromadzonych danych można przyjąć, że identyfikowalne zdarzenia (w zapisach grawimetrów mają magnitudy od około 2.5-2.6 a amplitudy zmian g rzędu 150-200 μGal) i wystąpiły w odległości maksymalnie 20-22 km od stanowiska. Tak więc przy odległości pomiędzy grawimetrami przekraczającej 46 km słabsze energetycznie wstrząsy są wyraźnie widoczne na tle szumu tylko na jednym ze stanowisk natomiast silniejsze zdarzenia ujawniają się na w zapisach obu elementów systemu.

Zależność pomiędzy rejestrowanymi przez system wartościami g a odległością epicentralną d przedstawione są na rys.2) na przykładzie grawimetru o nr 155 pracującego w Rybniku. Instrument ten, pracując na terenie kopalni prowadzącej bieżącą eksploatację, ma możliwość rejestracji zdarzeń z pełnego pola falowego zjawisk sejsmicznych, rejestrując wstrząsy górnicze, których epicentra znajdują się w odległościach praktycznie od 0 (pochodzące z KWK „ROW”) do przeszło 60 km (inne rejony GZW).

Rys. 2. Zależność maksymalnej amplitudy przyspieszenia siły ciężkości dg od odległości epicentralnej d wstrząsu górniczego z okresu 01.11.2018-01.05.2020.

Zbiór danych dla tego urządzenia obejmuje parametry 170-ciu zdarzeń z analizowanego okresu. W celu zobrazowania tłumienia amplitudy sygnałów grawitacyjnych sporządzono zależność pomiędzy amplitudą zmian wartości maksymalnych przyspieszenia siły ciężkości dg a odległością od stanowiska pomiarowego d przedstawioną na rys. 4. Całkowanie 1 sekundowych szeregów czasowych przyspieszenia g pozwala przejść na szeregi czasowe pionowych składowych prędkości V i przemieszczenia podłoża P w paśmie częstotliwości 0-0.5 Hz (Van Camp i Vauterin, 2005).