Quellen von seismischem Lärm in einer Tagebauumgebung

Mehrere Studien haben gezeigt, dass der Ursprung des seismischen Umgebungsgeräuschs in den seismischen Spektren sehr unterschiedlich ist. Unterhalb von 0,01 Hz werden die Signale vom seismischen Brummen und den Gezeiten der Erde dominiert. Der mikroseismische Peak (0,05–0,8 Hz) wird hauptsächlich durch die Wechselwirkung ozeanischer Wellen erzeugt. Oberhalb von 1 Hz sind menschliche Aktivitäten und Naturphänomene wie Wind, Regen oder Überschwemmungen die dominierenden Lärmquellen²⁰. Um die Lärmquellen in unserer Interessenregion zu charakterisieren, müssen wir daher verschiedene Frequenzbänder untersuchen. Da wir Hochfrequenzsensoren verwenden und davon ausgehen, dass der größte Teil des seismischen Lärms mit menschlichen Aktivitäten zusammenhängt, verwerfen wir Frequenzen unter 1 Hz und analysieren die zeitliche Variation der seismischen Amplitude für die Zeiträume 1–10, 10–20, 20–. 30, 30–40 Hz Frequenzbänder (Zusatzbild S2). Die Amplitude in jedem Frequenzband wird alle 30 Minuten ausgewertet und durch eine blaue Linie dargestellt. Um die Interpretation der langfristigen Amplitudenschwankungen zu verbessern, berechnen wir die Tagesmittelwerte der Amplitude während der Arbeitszeit (rote Linie) sowie den Wochenmittelwert des späteren Werts (orange Linie). Obwohl zwischen den Ergebnissen für die einzelnen Frequenzbänder einige Unterschiede zu beobachten sind, folgen sie alle einem insgesamt ähnlichen Muster, das durch klare Tag-/Nacht- und Arbeitstags-/Wochenende-Schwankungen dominiert wird.

Zur weiteren Analyse unseres Datensatzes verwendeten wir die SeismoRMS-Software¹⁵das verschiedene Werkzeuge zur Visualisierung der zeitlichen Variationen der Frequenzinhalte des Signals bereitstellt. Die höchsten Amplituden werden von Mitte Januar bis Mitte Februar gemessen, mit einem fortschreitenden Abfall in den folgenden Wochen. Alle Frequenzbänder zeigen bis Ende März ein Minimum, das bei höheren Frequenzen stärker ausgeprägt ist. Um mit einer Darstellung des Datensatzes zu arbeiten, der die meisten identifizierten Rauschquellen umfasst, werden wir die Frequenzschwankungen der Signale in einem Band zwischen 10 und 40 Hz diskutieren (Abb. 6).

Abbildung 7 zeigt die Amplitudenschwankungen als Funktion des Aufzeichnungsdatums und der Tageszeit für 8 entlang des Damms verteilte Stationen. Beachten Sie, dass die Aufzeichnungszeit in UTC dargestellt wird und daher der Wechsel zwischen Winter- und Sommerzeit am 26. März durch eine Verschiebung der Zeit des Hochrauschintervalls beobachtet wird. Das dominierende Merkmal ist der Wechsel zwischen Tag und Nacht, wobei der starke Lärm um etwa 6:30 Uhr beginnt und um etwa 17:30 UTC verschwindet. Dies hängt eindeutig mit den Arbeitszeiten im Bergwerk zusammen, wie auch der geringere Lärmpegel in der Mittagspause zwischen 13:30 und 14:30 UTC zeigt. An einer begrenzten Anzahl von Nächten im Januar erstreckt sich der hohe Lärm bis in die Nachtstunden und endet erst um 4:30 UTC. Während in den meisten Erfassungszeiträumen ein erhöhter Lärmpegel während der Arbeitszeit erkennbar ist, ist dieser im Januar 2023 stärker ausgeprägt. Die Wochenenden zeichnen sich durch einen geringeren Lärmpegel über den gesamten Tag aus. Die ruhigste Zeit, insbesondere in den Nachtstunden, wurde Ende März verzeichnet, als die Bergbauaktivität offenbar minimal war. Diese Ruhephase fällt mit einer vom 22. bis 28. März geplanten Werksabschaltung wegen Wartungsarbeiten zusammen. Ab Ende Februar können Frequenzbänder mit hohem Lärm und der gleichen Amplitude den ganzen Tag über als grünliche Bänder für die Stationen in der Nähe des Dammrandes identifiziert werden (z. B. ST19, ST17, ST30 und ST23), die die Tag-/Nachtschwankungen maskieren. Der Ursprung dieser anhaltenden Lärmquellen im Laufe der Zeit wird im nächsten Abschnitt erörtert.

Abbildung 8a, die die Amplitudenschwankungen als Funktion von Datum und Tageszeit für Station ST21 darstellt, ermöglicht uns eine bessere Visualisierung des Beginns der Aktivität im Bergwerk, der Unterbrechungsintervalle, der Änderung der offiziellen Zeit oder der höchsten Lärm in der Nacht in den letzten Wochen. Wie beobachtet beginnt die Aktivität um 06:30 UTC und nimmt eine halbe Stunde später deutlich zu. Die Mittagspausen werden zwischen 12:30 und 13:30 UTC deutlich eingehalten und erleichtern die Erkennung der offiziellen Zeitumstellung. Wie bereits erwähnt, lässt sich die Aktivität in einigen Nächten im Januar anhand der gelblichen Farben in Abbildung 8a erkennen. Für diese Tage lässt sich eine Pausenzeit zwischen 17:30 und 18:30 Uhr ausmachen, die den Schichtwechsel der Arbeiter widerspiegelt.

Abbildung 8b zeigt die Rauschamplitude bei ST21 als Funktion des Wochentags (farbige Linien) und der Tageszeit (Azimut). Von Montag bis Freitag ist die Lärmschwankung ähnlich, mit Höchstwerten nahe -115 dB zwischen 07:00 und 17:00 UTC. Samstags liegen die Amplituden morgens zwischen − 120 und − 125 dB, nehmen jedoch nach 13:00 Uhr UTC stark ab, während sonntags der Lärm den ganzen Tag über unter − 130 dB bleibt. Alle diese Beobachtungen bestätigen, dass der seismische Lärm durch vom Menschen verursachte Aktivitäten dominiert wird und durch die Aktivitätsänderungen in der Minenumgebung beeinflusst wird.

5 Zeitanhaltende Lärmquellen.

Eine globale Ansicht der Lärmschwankungen in der Riotinto-Mine ist in Abb. 9 dargestellt. Sie zeigt die normalisierte Verschiebungsamplitude über den gesamten Aufzeichnungszeitraum für alle verfügbaren Stationen, wobei hellere Farben größere Werte anzeigen. Wir identifizieren drei unterschiedliche Phasen für die Hintergrundgeräuschvariationen in den Aufnahmen. Phase 1 erstreckt sich vom Beginn unserer Aufzeichnungen bis zum 9. Januar 2023 und zeichnet sich durch moderate Amplituden, Tag-/Nachtschwankungen, einen geringeren Lärmpegel an Wochenenden und konsistente Ergebnisse an allen Stationen aus. Diese Phase wird als repräsentativ für den typischen seismischen Umgebungslärm in der Region interpretiert. Phase 2, die vom 9. Januar bis 10. Februar 2023 dauert, ist durch einen starken Anstieg des Lärms während der Tagesstunden gekennzeichnet, einschließlich einer großen Anzahl fahrender Fahrzeuge, während der Lärmpegel an Wochenenden ähnlich wie in Phase 1 bleibt. Wie aus den Betriebsprotokollen des Damms hervorgeht, wurden in der Gegend Bauarbeiten zur Erhöhung der Höhe des Damms durchgeführt. Dies bestätigt, dass ein großer Teil des Umgebungslärms mit lokalen Aktivitäten in der Nähe der Aufnahmestationen zusammenhängt. Phase 3, die sich bis zum Ende des analysierten Zeitraums erstreckt, zeigt ähnliche Tag-/Nachtschwankungen wie Phase 1, ist jedoch durch das Vorhandensein von Zeitintervallen mit hohem Lärm gekennzeichnet, die an einer begrenzten Anzahl benachbarter Stationen beobachtet werden, ein Merkmal, das mit der Ablagerung von verbunden ist Rückstände, wie unten erläutert.

Die Betrachtung der Wellenformen liefert eine visuellere Darstellung der Eigenschaften jeder der definierten Phasen, wie in Abb. 10 gezeigt, in der die Wellenformen an repräsentativen Daten für die Phasen 1, 2 und 3 angezeigt werden, die in Abbildung 10a durch farbige Pfeile angezeigt werden. Die seismischen Aufzeichnungen während Phase 1 zeigen tagsüber einen moderaten Anstieg der Amplitude und werden von transienten Signalen dominiert, die von fahrenden Fahrzeugen und Sprengungen erzeugt werden, während von Wasserpumpen erzeugte Signale in geräuscharmen Intervallen identifiziert werden können (Abbildung 10b). Die Wellenformen der Phase 2 werden von den Vibrationen dominiert, die durch die Maschinen und Fahrzeuge verursacht werden, die am Nachwuchsprozess des Damms beteiligt sind. Dies führt zu einem starken Kontrast zwischen Arbeitszeiten und inaktiven Intervallen, einschließlich der Mittagspause, der deutlich in der Amplitudenvariation der Wellenform definiert ist (Abbildung 10c). Schließlich ist Phase 3 durch ein hohes Maß an seismischem Lärm gekennzeichnet, der über den gesamten Zeitraum von 24 Stunden aktiv ist und nur an Gruppen von Stationen festgestellt wird (z. B. ST17 – ST21 am 23. April 2023; Abb. 10d).

Während Phase 3 ermöglicht uns die Untergruppe der Stationen mit der höchsten Amplitude zu jedem Zeitraum die Definition von vier unterschiedlichen Unterphasen, die in Abbildung 11 durch farbige Kästchen dargestellt werden. Während dieser Zeitspanne begann die Mine erneut mit der Ablagerung von Tailings im Aguzadera-Teich, wobei unterschiedliche Methoden zum Einsatz kamen Ablagerungsorte, um die Rückstände gleichmäßig zu verteilen. Phase 3a beginnt am 21. Februar und bleibt bis zum 22. März aktiv. Dies wird an den Standorten ST30, ST29 und ST27 am südwestlichen Ende des Damms beobachtet. Nach einigen Tagen ohne Ablagerungsaktivität beginnt Phase 3b am 28. März und endet am 8. April 2023. Während dieser Phase werden die Stationen ST16, ST17, ST10, ST09 und ST15, die sich alle am nordöstlichen Ende des Staudamms befinden, zeigen die höchste Amplitude. Phase 3c beginnt unmittelbar danach und zeigt die größten Amplituden an den Stellen ST23, ST24, ST22, ST14 und ST07. Schließlich erstreckt sich Phase 3d zwischen dem 17. April und dem 1. Mai und wird an den Standorten ST19, ST20 und in geringerem Maße an ST11, ST12, ST18 und ST21 identifiziert. Die Lage der Standorte mit den größten Amplituden in jeder Unterphase stimmt vollständig mit der Lage der Ablagerungspunkte überein, die in jedem Zeitintervall aktiv sind, wie in den Minenaktivitätsaufzeichnungen aufgezeichnet. Diese Standorte sind in Abbildung 11 mit farbigen Sternen dargestellt.

Die Untersuchung der Spektrogramme der seismischen Daten ermöglicht es, den Beginn und das Ende jeder Ablagerungssequenz genau zu definieren (Abbildung 12 und Zusatzbilder S3a-d). Obwohl der Abscheidungsprozess typischerweise kontinuierlich abläuft, kann es aus technischen Gründen erforderlich sein, den Prozess zu unterbrechen. Die seismischen Beobachtungen ermöglichen uns eine detaillierte Überwachung dieser Störungen, die nicht immer in den Minenprotokollen gemeldet werden und deren Dauer zwischen 8 und 30 Stunden variieren kann. Wie in Abbildung 12 zu sehen ist, eignet sich das 5–25-Hz-Frequenzband am besten als Stellvertreter für den Rückstandsablagerungsprozess.