Impact of tectonics on ground deformations caused by mining activity in the north-eastern part of the Upper Silesian Coal Basin

The aim of the presented research was to analyze the dependencies between slow surface deformations and faults distribution. The area of the research included seven mines of the Dabrowskie Coal Basin. Coal exploitation has been conducted in this region for over 200 years. The region faces a problem of vertical ground deformations. The PSInSAR technique was used in this area to measure small, long-period ground displacements. The PSInSAR method exploits a set of a few dozen satellite radar images of the same area performed at different times. The velocities of deformations are measured only in points called 'persistent scatterers - PS'. The PS points are good radar wave reflectors located on the Earth's surface, e.g. buildings, bridges, rock outcrops. The important feature of the Dabrowskie Coal Basin is a dense fault system with throws, which range from several meters to over three hundred meters. The main dislocation in the discussed region is the Bedzinski fault with NW-SE direction. It is crossed by smaller faults with S-N orientation. Only large faults with throws over fifty meters were used in described analysis. In the first part of this work, the analysis of ground deformations values was made. It was performed separately for downthrown and upthrown blocks. The one-way analysis of variance was made to examine the statistical significance of the difference between average velocities of subsidence in those two blocks. The analysis was performed separately for the Bedzinski fault and for faults with S-N directions. In the second part of the work, an analysis of spatial dependence between fault location and velocities of deformations was performed. The directional semivariograms were calculated in downthrown and upthrown blocks of the Bedzinski fault. The semivariograms in N, NE, E and SE directions were analyzed. Results of analysis show that despite the fact that all faults have similar values of vertical displacements, only the Bedzinski fault divides the study area into two regions with significant difference of average values of ground deformations. It has been found that the downthrown and upthrown blocks of the Bedzinski fault have different variations of ground deformations in space. The performed analysis shows also that there is no linear correlation between values of ground displacements measured in PS points and their distances to lines of faults.

Celem pracy była zbadanie wpływu tektoniki na deformacje terenu wywołane działalnością górniczą. Obszar badań opisany w artykule obejmuje tereny górnicze wybranych kopalń Zagłębia Dąbrowskiego. Ze względu na prowadzoną w tym rejonie od lat eksploatację węgla kamiennego oraz skomplikowaną budowę tektoniczną rejon ten zagrożony jest występowaniem pionowych przemieszczeń terenu. Na obszarze badań pomierzone zostały niewielkie, długookresowe deformacje terenu, dzięki wykorzystaniu techniki PSInSAR. Technika ta polega na przetwarzaniu zestawu satelitarnych obrazów radarowych i dostarcza informacje o przemieszczeniach terenu w punktach PS. Punkty PS to stabilne reflektory odbijające promieniowanie mikrofalowe, odpowiadające takim obiektom terenu jak budynki, mosty, wiadukty, wychodnie skał itp. Szczegółowo zbadane zostały wartości przemieszczeń terenu w punktach PS w zależności od ich położenia względem głównych jednostek tektonicznych. Zagłębie Dąbrowskie charakteryzuje się występowaniem gęstej sieci uskoków. Główną dyslokacją tego terenu jest uskok będziński o rozciągłości NW-SE. Uskok ten przecięty jest licznymi uskokami o rozciągłości południkowej. Do analizy wybrane zostały jedynie największe uskoki, których wartości zrzutów przekraczają 50 m. Analiza danych PSInSAR obejmowała trzy etapy. Pierwszy z nich polegał na interpolacji średnich szybkości terenu w punktach nie objętych techniką PSInSAR. Zadanie to zostało wykonane z zastosowaniem metody odwrotnych odległości. Zbadane zostały wartości deformacji terenu w kierunku prostopadłym do linii uskoku będzińskiego. Następnie wykonana została analiza trendu, dla wszystkich wykorzystanych w pracy, danych PSInSAR. W drugim etapie badań wykonana została jednoczynnikowa analiza wariancji mająca na celu sprawdzenie, czy różnica pomiędzy średnią wartością deformacji terenu dla skrzydła zrzuconego i wiszącego jest statystycznie istotna. Analiza wariancji została wykonana osobno dla uskoku będzińskiego i uskoków o przebiegu południkowym. W trzecim etapie analizy zbadana została struktura zmienności średnich szybkości deformacji terenu względem uskoku będzińskiego. Zadanie zrealizowano poprzez obliczenie i analizę semiwariogramów kierunkowych. Badanie struktury zmienności parametru zostało przeprowadzone dla uskoku będzińskiego osobno dla skrzydła zrzuconego i wiszącego. Empiryczne semiwariogramy w obu przypadkach zostały obliczone, dla kierunków: N, NE, E, SE, tak aby zbadać wzajemną korelację deformacji terenu osobno w kierunku prostopadłym i równoległym do linii uskoku. Wykonana w pracy mapa deformacji terenu pozwoliła na wstępną ocenę wartości przemieszczeń terenu względem głównych uskoków rejonu badań. Analiza deformacji terenu w kierunku prostopadłym do linii uskoku będzińskiego wykazała różnicę w wartościach przemieszczeń terenu w skrzydle wiszącym i zrzuconym tego uskoku. Stwierdzono występowanie trendu średnich szybkości deformacji terenu w kierunku SW-NE. W wyniku przeprowadzonej analizy wykazano, iż pomimo faktu, że wszystkie uskoki uwzględnione w pracy charakteryzują się podobnymi wartościami zrzutów to jedynie dla uskoku będzińskiego stwierdzona została statystycznie istotna różnica między średnimi deformacjami terenu w skrzydle wiszącym i zrzuconym. W odniesieniu do tego uskoku stwierdzono również różnicę w strukturze zmienności analizowanego parametru dla obu jego skrzydeł. Ponadto wykazano brak korelacji pomiędzy wartościami deformacji terenu a odległością punktów pomiarowych od linii uskoku.