Мониторинг радона как индикатор возможного тектонического события
Мониторинг
радона как индикатор возможного тектонического события
В.И. Уткин, И.А. Козлова, А.К. Юрков
Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург
Описаны результаты исследований поведения радона
( ОАР -объемной активности радона), выделяющегося из массива. Миграция радона и
его выделение из массива зависят от пористости, проницаемости и трещиноватости
массива. Резкое изменение прочности массива и сброс упругих напряжений за счет
внешних сил (землетрясение) происходит при определенных изменениях в структуре
массива, как при сжатии, так и при растяжении массива.
Ключевые слова.
Объемная активность радона (ОАР), динамика изменения ОАР, критическое состояние
массива, внешнее воздействие, разрядка напряженного состояния, землетрясение
Пространственно-временной мониторинг радона,
проведенный в 70-х - 80-х годах прошлого столетия [Chu-Yu
King], несмотря на
указанные позже [Уткин, 1997] недостатки, оказался не только единственным
крупномасштабным экспериментом проведения радонового мониторинга, результаты
которого еще до конца не оценены исследователями, несмотря на то, что более
поздние мониторинговые измерения ОАР (Outkin,
1979, 2000) подтвердили справедливость основных выводов, сделанных после
изучения данных этого радонового мониторинга [Chu-Yu
King].
Всего за время проведения эксперимента [[Chu-Yu
King].] за период
работы радонового мониторинга 78-81гг. в Калифорнии произошло 25 событий с
магнитудой от 4,5 до 5,8. Изучение диаграмм изменения ОАР во времени в
различных точках регистрации (всего в эксперименте было использовано 60 станций
радонового мониторинга) для каждого события показало полное однообразие
поведения ОАР в зонах сжатия или растяжения массива, что подтверждается
одновременным измерением поведения ОАР в нескольких различных точках измерения,
расположенных в зонах сжатия или растяжения массива. Характерные изменения ОАР
при подготовке и реализации землетрясения хорошо видны на рис.1, где
представлены пространственно-временные изменения ОАР перед землетрясением 20
января 1980 года с магнитудой 5,8. Зоны сжатия и растяжения массива определены
по поведению во времени кривой ОАР (Рис.1, диаграммы справа). Наблюдаемое
поведение ОАР во времени для зон сжатия и растяжения при подготовке
землетрясения неодинаково. В зонах сжатия идет последовательное уменьшение ОАР
до некоторой малой величины, после чего следует разрядка напряженого состояния
массива (землетрясение). Это хорошо видно на диаграммах ОАР по станциям 43, 46,
51, 52, 58, 63.
Анализ данных эксперимента [Chu-Yu
King ] показал, что
если станция радонового мониторинга находится в зоне сжатия массива, то
изменение концентрации радона во времени представляет собой экспоненциальную
кривую вида:
IС=
I0
(exp
( -kt
),
где I0
- некоторая начальная интенсивность ОАР перед началом ее спада, который продолжается
от 3 до 5 месяцев (120-150 дней); k
- коэффициент уплотнения массива (название условное). Процесс сжатия
оканчивается землетрясением, разрушением (изменением) структуры массива. Можно
предполагать, что разрушается только структура обеспечивающая межблочное
трение, поскольку по опыту [Рогожин] известно, что литосферные блоки остаются
практически без изменения.
Рис.1. Схема пространственно-временных изменений
ОАР при подготовке землетрясения от 05 января 1980 года (Уткин 1998-2000): 1-
расположение станций регистрации ОАР, рядом указан номер станции по [Сhi-Yu
King]; 2- станции,
выбранные для анализа процесса подготовки землетрясения; 3 - эпицентр
землетрясения; 4 - зоны сжатия массива; 5 - зоны растяжения массива; 6 -
«нейтральные» зоны (зоны без видимых признаков сжатия или растяжения).
Рис.2. Изменение во времени концентрации радона
(ОАР) в условиях сжатия массива: А - время Т1 - зона подготовки землетрясения;
В - время Т2 - зона разрушения массива (тектоническое землетрясение).
Формы кривой изменения ОАР при сжатии массива,
наблюдаемые на различных станциях (Рис.2), отличаются между собой
незначительно, но для всех кривых возможно выделить по времени две зоны: а)
время Т1 подготовки землетрясения и б) время Т2 сброса напряжения (собственно
землетрясения). Последняя зона характеризуется практически постоянными
значениями ОАР во времени.
Рис.3. Изменение во времени концентрации радона
(ОАР) в условиях растяжения массива: А - длительность зоны по времени Т1 - зона
подготовки землетрясения; Т2 - зона по времени разрушения массива
(тектоническое землетрясение).
Если радоновая станция попадает в расположение
зоны растяжения массива, то изменение концентрации радона (ОАР) имеет более
сложный характер (станции 43,46 и др. на рис.1), который хорошо описывается
выражением следующего вида:
IР
= I0 т٠ t
(exp ( -k٠t )),
б) размер области ожидаемого события с
магнитудой около 4 составляет около 40 км; события с магнитудой 5 - 50 км и
магнитудой 6 более 50 км.
Главное отличие данных мониторинга радона от
обычных данных мониторингов другого типа, где фиксируются численные величины,
(например, электросопротивление, сейсмическая активность и т.д.) состоит в том,
что регистрируется не просто величина ОАР в данной точке в данное время, а
изменение ОАР во времени. В этом случае можно судить об изменении напряженно-деформированного
состояния среды (сжатие или растяжение). Наблюдаемое время подготовки
землетрясения вполне достаточно, чтобы определить характер поведения ОАР и,
соответственно, характер деформации литосферного блока (растяжение или сжатие).
Таким образом, осуществляется непрерывный контроль за изменением
напряженно-деформированного состояния среды при подготовке тектонического
землетрясения. Указанные изменения наглядно наблюдаются на кривых ОАР (рис.2 и
рис.3), полученных по данным мониторинга [Chi-Yu
King, Outkin]
Оптимальное (предельное) количество станций
радонового мониторинга, которое необходимо для контроля исследуемой области,
можно определить, исходя из размеров области подготовки тектонических событий.
Это область радиусом 40 км для землетрясений с магнитудой около 4, радиусом 50
км для землетрясений с М ≥ 5 и радиусом около 50 км и более для
землетрясений с М ≥ 6. Таким образом, для контроля состояния литосферного
блока размером 100 на 200 км при контроле сейсмического события с магнитудой 4
достаточно 10-12 станций радонового мониторинга. Для контроля событий с
минимальной магнитудой равной или более 5 достаточно 6-8 станций для полигона
такого же размера. При сложном геологическом строении исследуемой области
количество станций, вероятно, необходимо будет увеличить. Обязательным условием
возникновения тектонического землетрясения является наличие необходимого
напряжения в земной коре, которое вызывается деформированием литологического
блока или литологической плиты. Достаточным условием можно считать появление
некоторой внешней силы, которая спровоцирует сброс напряжения при критических
уровнях напряженно-деформированного состояния массива. радон
тектонический землетрясение геодинамический
Предлагаемая методика
комплексирования измерения радонового мониторинга и производной скорости
вращения массива условно названа - геодинамический мониторинг (ГДМ), который
может использоваться для решения проблем краткосрочного и среднесрочного
прогноза тектонических землетрясений при минимальном использовании данных
сейсмического мониторинга для оперативного решения задач прогноза.
Преимущества геодинамического мониторинга (ГДМ)
перед сейсмологическим мониторингом состоит в следующем: а) монитор радона
размещен непосредственно в исследуемом блоке горных пород, что существенно
повышает соотношение сигнал-шум при регистрации данных; б) сигнал радонового
мониторинга позволяет судить о динамике напряженно-деформируемого состояния
блока горных пород (сжатие-растяжение); в) скорость процессов динамики горных
пород при подготовке землетрясения относительно невелика, что позволяет
обрабатывать данные мониторинга в режиме реального времени.
Краткосрочный прогноз особенно крупных
землетрясений целиком основан на использовании мониторинга вращения Земли:
существенные «триггерующие функции» (вариации вращения Земли) сбрасывают
накопленные напряжения на всей поверхности Земли, вызывая при этом крупные
землетрясения. Поэтому предупреждение о крупных землетрясениях должно
формироваться на основе мониторинга вариаций неоднородности вращения Земли.
Список
литературы
1. Уткин В.И., Юрков А.К. Радон и
проблема тектонических землетрясений // Вулканология и сейсмология, 1997, № 4,
с.84-92
2. Уткин В.И., Юрков А.К.
Отражение сейсмических событий в поле эксхаляции радона // Геофизика, М.: ЕАГО,
№ 6, 1997, с.50- 56
. Уткин В.И., Юрков А.К.
Козлова И.А. Радон как индикатор напряженного состояния массива. / Кн.
Мельниковские чтения. Пермь: Горный институт УрО РАН, 1999, с. 79-82
. Уткин В.И.
Пространственно-временной мониторинг радона и проблема среднесрочного прогноза
тектонических землетрясений // Уральский геофизический вестник, №1,
Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2000, с.101-106
. Уткин В.И., Мамыров Э., Кан
М.В., Кривашеев С.В., Юрков А.К., Косякин И.И., Шишканов А.Н. Мониторинг
радона при изучении процесса подготовки тектонического землетрясения на
Северном Тянь-Шане. // Физика Земли, 2006, №9, с.145-155.
6. King Chi-Yu,
Walkingstick C.,Basler D. Field studies of radon in rocks, soil and water. /
Gunderson L.and Wanty R. editors / U.S.Geological survay bulletin: 1991, pp.
77-133.
. Outkin V.V., Kozlova
I.F. Massif straining condition dynamics reflection in radon field // XXV
General Assembly EGS, Nica, France, 2000, р.1356-1358
. Outkin V. I., Yurkov
A.K., Klimshin A.V., Kozlova I.A. Geodynmic monitoring in real times// AGU,
Institute of Geophysics of Ural`s Branch of RAS. Yekaterinburg, 2011. #1203407