1. MÄENDUSE MAINE
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
78
TTÜ Mäeinstituut

2. MÄENDUSE MAINE
tuvastada, on magnituudiga umbes 1. Tüüpiliselt on Eesti lõhkamised seismiliselt suurusega kuni
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.
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.
79
TTÜ Mäeinstituut

3. MÄENDUSE MAINE
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.
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.
80
TTÜ Mäeinstituut

4. MÄENDUSE MAINE
Joonis 20-3 Väljavõte põlevkivimaardla alalt, kus on esitatud lokaliseeritud seismilised sündmused
(lõhkamised ja varingud), jaanuaris–oktoobris 2008
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
2
lae kohta olid valitud tervikute mõõtmed liiga väikesed (ca. 40 m ). 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.
81
TTÜ Mäeinstituut

5. MÄENDUSE MAINE
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.
82
TTÜ Mäeinstituut

6. MÄENDUSE MAINE
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).
83
TTÜ Mäeinstituut

7. MÄENDUSE MAINE
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
84
TTÜ Mäeinstituut

8. MÄENDUSE MAINE
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) CO 2 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 SO 2-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“.
85
TTÜ Mäeinstituut