Проблема прогноза землетрясений, т.е. выявление временного момента, энергии и координат события, является одной из наиболее актуальных и наиболее сложных проблем геофизики. На настоящий момент природа сейсмической активности не достаточно изучена, поэтому в прогнозах землетрясений нет той точности, чтобы было рациональным предпринимать меры по предотвращению последствий землетрясений. Наиболее точными индикаторами являются краткосрочные предвестники землетрясений, поэтому сегодня именно краткосрочные предвестники имеют большое значение при прогнозировании землетрясений, несмотря на главный недостаток – недостаточный временной интервал до наступления события.
Поиск физических явлений, сопровождающих подготовку землетрясений, осложняется тем, что наблюдаемые предвестники демонстрируют нестабильность во времени и пространстве, поэтому выделение характерных особенностей представляет непростую задачу.
Радон имеет ряд преимуществ наряду с другими возможными индикаторами в геофизических исследованиях. Уменьшение концентрации радона за счет распада и перемещения в приземные слои атмосферы, компенсируется постоянной генерацией в процессе радиоактивного распада. Не смотря на относительно низкую концентрацию эманаций радона, его радиоактивность обеспечивает обнаружение. Так же важным фактом является то, что миграция радона в биосфере Земли и его концентрация в приземных слоях атмосферы зависит от напряжений породы, т. е. изменение состояния породы ведет к зависимому изменению показателей концентрации радона в приземных слоях атмосферы. Перечисленные характеристики легли в основу мониторинга эксхаляций радона как показателя краткосрочного предвестника землетрясений.
В настоящей статье радон будет рассмотрен как индикатор сейсмической активности и причины, по которым поведенческие характеристики радона на сегодняшний день не используются как надежные предвестники землетрясений.
Распределение напряжений горных пород зависит от действующих сил и от степени неоднородности. Поры и трещины в породах заполнены газо – водными флюидами. Изменение напряженного состояния породы вызывает ее деформацию и как следствие изменение физических свойств, а так же закрытие и раскрытие трещин. Эти процессы приводят к изменению проницаемости. При сжатии массива проницаемость снижается, а при разгрузке увеличивается - это приводит к изменению макроскопического коэффициента диффузии, который наиболее зависим от проницаемости. Однако в данной теории есть ряд исключений, например в пределах скважин при сжатии массива радон, находящийся в порах массива, как бы «выдавливается» в скважину, создавая ложную аномалию выделения радона. Как правило, такие явления наблюдаются при форшоках, предшествующих землетрясению, или афтершоках. Причем в каждой наблюдательной точке это явление имеет свои специфические особенности. Поэтому для однозначной оценки динамики выделения радона необходима оценка общего количества сейсмической энергии, поступившей в данную точку наблюдений.
Концентрация радона в приземных слоях атмосферы обусловлена распространением материнского вещества - радия в биосфере Земли, т.к. радон является продуктом его распада. Чтобы достичь дневной поверхности, учитывая расположения радийсодержащих тел на глубине до 500 м, радон должен обладать высокой миграционной способностью. Высокий молекулярный вес (222) и период полураспада (3,82 суток) исключают возможность радона к самопроизвольной субвертикальной миграции. Поэтому была предложена модель диффузионно-конвективного массопереноса радона в однородной пористой среде, которая стала классической. Эта модель нашла широкое распространение в различных модификациях. Согласно этой модели на поверхности рыхлых отложений объёмная активность радона (ОА Rn) может указывать на наличие тел с повышенным содержанием материнского элемента Ra на глубинах несколько десятков метров. Так же существует теория «геогаза», суть которой сводится к тому, что во влагонасыщенных трещиноватых породах по трещинам, заполненным флюидом, поднимаются микропузырьки глубинного газа [1, С. 79-85]. Однако, как в рамках классической диффузионно-конвективной модели, так и с помощью теории «геогаза», трудно объяснить высокую миграционную способность радона в рыхлых отложениях. На мой взгляд, причиной является, что эта область теории плохо исследована, например, долгое время считалось, что перенос радона осуществляется пузырьковыми образованиями всех летучих газов подземных водно – газовых систем [2, С. 503-510]. Однако результаты исследований почвенного воздуха, полученные на Калужской кольцевой структуре и описанные в [3], уточняют, или как минимум дают повод для дальнейших исследований и корректировки этой теории. Эти исследования показали синфазность вариаций содержаний водорода и метана, а так же отсутствие связи этих газов с изменениями содержаний углерода и азота. Были сопоставлены данные проб метана и водорода и данных объемной активности радона рис.1. В результате было установлено, что коэффициент корреляции водорода и метана имеет значение 0,96, а коэффициенты корреляции этих газов со значениями объемной активности радона – 0,89 [3, С. 4-7].
График 1. Вариации концентраций водорода, метана и объемной активности радона на 8 пикетах на Калужской кольцевой структуре [3, С. 5].
Приведенные данные позволили Шулейкину В.Н. сделать вывод о том, что в качестве радоновой эманации выступают пузырьковые образования только двух газов – водорода и метана, при этом 80 – 90 % радона переносится водородом. Таким образом, описанная работа является еще одним доказательством, того, что природа миграции радона до конца не определена и требует более детального рассмотрения.
- Вследствие того, что как в рамках классической диффузионно-конвективной модели, так и с помощью теории «геогаза», трудно объяснить высокую миграционную способность Rn, то в среде, обладающей фрактальными свойствами, миграция радона должна протекать гораздо интенсивнее за счет «аномальной» диффузии. Различают два вида аномальной диффузии: субдиффузия – накопление (прилипание или ловушки) в узлах, которая позволяет учитывать эффекты памяти и связана с временной координатой; супердиффузия – обусловленная учетом пространственной корреляции между узлами по связям (полеты Леви) и связана с пространственной координатой.
Достаточно долго при исследовании изменения деформации горных пород использовалась объемная активность (ОА). Объемная активность – отношение активности радионуклида в веществе к объему вещества. В период повышения сейсмической активности аномальные изменения ОА почвенного радона могут проявляться на значительных расстояниях от эпицентра землетрясения. С целью повышения чувствительности радонового метода мониторинг стараются производить на территориях с наличием глубинных высокоактивных источников радона (породы с высоким содержанием урана, зоны тектонических разломов в земной коре). На таких территориях наблюдается увеличение амплитуды аномальных всплесков.
Однако, при измерении ОА радона существует ряд проблем, не позволяющий использовать эманации радона как надежный предвестник. Так, например сложность и разнообразие особенностей геологических структур ведут к различиям в динамике приповерхностной концентрации почвенного радона, что затрудняет интерпретацию и сравнение данных, полученных в разных точках. Изменение метеорологических условий также значительно варьируют показатели радона. По этим причинам незначительные сейсмические изменения показателей объемной активности могут быть просто незамечены в накладываемых условиях. [4, С. 20-21]
С 2003 года было предложено использовать в качестве прогностического параметра плотность потока радона (ППР). Плотность потока радона – активность радона, выходящего с единицы площади поверхности в единицу времени.
Этот параметр более чувствителен к изменению напряженно – деформированного состояния геосреды, чем величина объемной активности. Это было подтверждено во время аномалии предшествующей усилению сейсмичности у берегов полуострова Камчатка. Величина плотности потока радона увеличилась на 162% от уровня фона, а величина объемной активности радона в почвенном воздухе на 115% [5, С. 52-57].
Однако, свойства ППР, осложняют использования этого параметра, и предполагают определение метода измерения плотности потока в зависимости от сопутствующих условий.
Анализ результатов исследований, накопленных в мировой практике, произведенный в [4, С. 117 - 124] позволил сделать заключение о том, что наблюдается пространственная и временная изменчивость динамики ППР, а так же наблюдаются определенные закономерности в изменении показателей ППР. Закономерности изменений проявляются как суточные вариации, отклонения от среднего значения в период резкой смены погоды, и как было сказано выше до возникновения сейсмической активности. Кроме изменения напряженно – деформированного состояния земной коры, на значения плотности потока радона так же влияет изменения состояния атмосферы, а именно изменение температуры и давления, скорости ветра и турбулентности. Нестабильность и непредсказуемость поведения факторов, влияющих на ППР, усложняют интерпретацию динамики плотности потока радона. Например, сложность определения влияния атмосферных осадков на величину ППР состоит в том, что существует множество параметров, характеризующих не только сами осадки, но и их влияние на верхний слой грунта (глубина проникновения, зависимость степени заполнения от глубины, изменение коэффициента водонасыщения от времени).
Несмотря на достаточно емкую и много проблемную задачу, с помощью численных расчетов можно оценить ожидаемую пространственную и временную изменчивость величины плотности потока радона с поверхности земли. Однако, например, в отличие от многочисленных работ математического моделирования массопереноса в средах, в области теоретического моделирования влияния различных факторов на значения ППР проведено минимум исследований. Поэтому в настоящее время нельзя сделать вывод о надежности применения теоретического моделирования изменения плотности потока радона.
По причинам, перечисленным выше, до сих пор еще не удалось выделить наилучший из существующих метод определения плотности потока радона, который можно было бы использовать в качестве стандарта.
Понятно, что и в методе с использованием ОА радона и в методе с использованием ППР есть не решенные задачи, однако считается, что одновременное использование двух величин – объемной активности почвенного радона и плотности потока радона с поверхности земли позволит повысить достоверность прогнозных оценок.
Из приведенных фактов можно сделать вывод, что задача прогноза землетрясений еще далека от решения, но прогноз на основе радонового метода действительно может стать одним из наиболее надежных методов. При этом понятно, что основополагающим в теории этого метода является понятие о перемещении радона и влияние различных факторов на миграцию и на показатели мониторинга радона. Поэтому, теория перемещения радона, а также способы его регистрации требует новых исследований и новых уточнений. Решение этой задачи потребует применения всех знаний и многолетнего опыта исследований поведения радона как предвестника землетрясений, поиска новых и исследования существующих методов измерений, доработки моделирования различных задач, а так же внедрения в систему наблюдений современных наукоемких технологий.
Литература:
Паровик Р.И., Шевцов Б.М., Фирстов П.П. Модель переноса радона (222Rn) в режиме супердиффузии во фрактальной среде./ Доклады Адыгской (Черкесской) Международной академии наук. – 2008 - Т.10 - №2 - С. 79-85.
Войтов Г.И., Рудаков В.П., Шулейкин В.Н., Козлова Н.С. Баранова Л.В. Эманационные и электрические эффекты в атмосфере подпочв над Калужской кольцевой структурой. / Рос. журн. наук о Земле. – 1999- № 6 - С. 503-510.
Шулейкин В.Н. Радон почвенного и атмосферного воздуха и дегазация земли. /Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика. М.: Учреждение Российской академии наук Институт проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН)- 2010- С. 4-7.
Яковлева В.С. Методы измерения плотности потока радона и торона с поверхности пористых материалов. Томский политехнический университет. – 2011 – С. 20-21, 117-124.
Паровик Р.И., Фирстов П.П Апробация новой методики расчета плотности потока радона с поверхности (на примере Петропавловск – Камчатского геодинамического полигона). АНРИ. – 2009 - №3 - С. 52-57.
Сисигина Т.И.Колебания эксхаляции радона из почвы в атмосферу в связи изменением метеорологических условий, Труды института экспериментальной метеорологии. Радиоактивность атмосферы, почвы и пресных вод. - Московское отделение гидрометеоиздата. - Вып.-5 - М. -1970 - С. 3-15.
