CC BY
16
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 4(24). C. 133-147. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2018-24-4-133-147
УДК 550.8.056
МОДЕЛЬ НЕКОТОРЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВЫХ АНОМАЛИЙ В ПОЛЕ ПОДПОЧВЕННОГО РАДОНА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ С M > 5.5 НА ПОЛУОСТРОВЕ
КАМЧАТКА*
Е. О Макаров12, П.П Фирстов1
1 Камчатский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН», Петропавловск-Камчатский, Пийпа б-р, 9
2 Камчатский государственный университет имени Витуса Беринга, 683032, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Пограничная, 4
E-mail: [email protected] [email protected]
На Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне в течение почти 20 лет работает сеть пунктов мониторинга подпочвенного радона. За время работы был зарегистрирован ряд аномалий, предварявших землетрясения с магнитудой M > 5, которые по морфологическим признакам разделены на два типа (А, Б). В работе детально разбирается механизм возникновения аномалий типа Б на основании математической модели распространения радона в потоке подземных вод с полным поперечным перемешиванием. Сделана попытка увязать некоторые особенности возникновения предвестниковых аномалий типа Б с районами возникновения землетрясений.
Ключевые слова: радон, математическое моделирование, радоновая аномалия, прогноз землетрясения, Камчатка, радоновый мониторинг, геотермальный резервуар, деформация
© Макаров Е. О., Фирстов П. П., 2018
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ No 16-05-00162
Введение
Изотопы радона являются дочерними продуктами распада изотопов радия. Распадаясь с испусканием а-частиц они образуют изотопы полония. За счет энергии отдачи при радиоактивном распаде радия, радон покидает кристаллическую решетку, попадая в дефекты кристаллов и микротрещин. Обладая химической инертностью, он проникает в поровое пространство и подземные воды. Затем за счет диффузии и конвекции мигрирует к дневной поверхности и стекает в атмосферу. Поскольку наиболее долгоживущим из природных изотопов радона является 22^п с периодом полураспада Т=3.824 суток, образующийся при альфа-распаде 22^а уранового ряда (238и), то его содержание в приземном слое атмосферы наиболее представительно.
Процесс миграции радона (22^п) в верхней толще горных пород интенсивно начал изучаться с начала 40-х годов прошлого века с целью отработки методики поиска месторождений урановых руд [1, 2]. В последние несколько десятков лет изучению механизма переноса 22^п в грунтах посвящено много работ связанных с прогнозом сильных землетрясений [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].
Перенос радона в слоистых средах является предметом исследований, как теоретиков, так и практиков различных областей. Универсальной математической модели, которая бы полно описывала процесс переноса к дневной поверхности в различных физико-литологических условиях, пока не разработано. Хотя для частных случаев и при определенных допущениях рассмотрено достаточно много таких моделей [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19].
По литературным данным ниже приведены наиболее известные модели формирования радоновых предвестников в подземных водах и подпочвенном газе.
1. Модели формирования радоновых предвестников на основе механических представлений:
- деформации, способствующие выжиманию радона из кристаллической решетки и увеличению коэффициента эманирования из горных пород в поровые флюиды [20];
- подмешивание флюидов в подземные воды из других горизонтов [12, 17];
- ультразвуковые колебания, способствующие выделению радона из кристаллической решетки [21];
- вариации скорости вертикального газового потока за счет изменения трещино-ватости и пористости пород под действием тектонических напряжений [5, 22];
- повышение объемной активности (ОА 1^п) за счет его десорбции с поверхности порового пространства под воздействием упругих колебаний, возникающих на последней стадии подготовки сильных землетрясений [23].
2. Модель гидротермальной системы как резонатора с собственной частотой колебаний концентрации газов [24].
3. Физико-химическая модель периодического фракционирования примесных газов в газовых коллекторах в зоне фазового расслоения гидротермального раствора
[25].
4. Модель "геогаза", согласно которой миграция в грунте с полным влаго-насыщением связана с потоком газов в форме микропузырьков, который является основным механизмом транспортировки к дневной поверхности [13, 16, 18]. При этом механизм миграции эндогенных газов определяется взаимодействием воды в порах и трещинах с породой. Согласно современным исследованиям, на глубинах в несколько тысяч метров пузырьки имеют диаметр 10—2 — 10—10 мм. При этом пред-
полагается, что газы-транспортеры (Н2, Не, СО2 и СН4), находящиеся в нескольких состояниях (течение в газовой фазе, вытеснение воды газом, газовые пробки и пузыри), обеспечивают основной процесс миграции более тяжелых инертных газов ^п, Тп).
Процесс миграции в рыхлых отложениях зависит от их проницаемости, которая определяется строением и свойствами верхней толщи грунта и уровня грунтовых вод. Изменения напряженно-деформированного состояния блока геосреды в районе пункта регистрации также влияют на миграцию к поверхности, что может быть зафиксировано при регистрации подпочвенного 1^п. К сожалению, большая зависимость от вариаций метеорологических величин (атмосферное давление, температура воздуха, влажность) затрудняют выделение предвестниковых аномалий землетрясений в поле подпочвенного радона.
С целью исследования динамики концентрации подпочвенного и поиска предвестников сильных землетрясений на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне с 1997 г. работает сеть пунктов мониторинга подпочвенных газов [6, 26]. Пункты сети радонового мониторинга расположены в разных структурных элементах района побережья Авачинского залива, кроме того, каждый пункт имеет свои особенности строения толщи аллювиально-делювиальных отложений, в зоне аэрации которых размещаются датчики [10]. Как показывает многолетний опыт, это позволяет фиксировать в динамике концентрации индивидуальный отклик в связи с разной реакцией отдельных блоков земной коры на геодеформационные процессы, связанные с подготовкой сильных землетрясений Курило-Камчатской сейсмогенной зоны.
В качестве датчиков используются газоразрядные счетчики (ГС) типа СБМ-19, позволяющие вести пассивную регистрацию по в - излучению короткоживущих продуктов его распада с использованием автоматизированных комплексов регистрации концентрации подпочвенных газов [10, 27]. Как правило, в каждом пункте регистрации работают два датчика, расположенных на разных глубинах (один и два метра).
На основании многолетних экспериментальных наблюдений выявлено два типа отклика в динамике подпочвенного на геодинамические процессы, сопровождающие последнюю стадию подготовки сильного землетрясения района полуострова Камчатка, и имеющих характер предвестников: тип А - синфазные аномалии объемной активности радона (ОА 1^п), зарегистрированные в нескольких пунктах сети. Этот тип аномалий связывается с возмущениями в геосреде, условно названными авторами «деформациоными волнами» (ДВ) и подробно описанными в работах [28, 29].
Другой тип Б хорошо выделяемая на общем фоне аномалия с определенной формой, регистрируемая, как правило, в одном пункте сети [28, 30, 31]. Дальнейшему развитию изучения данного типа предвестниковых аномалий посвящена эта работа.
Основы математической модели переноса Rn в водной среде с полным поперечным перемешиванием
В классическом представлении миграция радона в поровом пространстве горных пород происходит благодаря двум основным механизмам транспорта - диффузионного и конвективного, на которые накладываются значительное количество факторов [32]. Геологическая среда является неоднородно-слоистой, с заметно различа-
ющимися физико-литологическими характеристиками каждого слоя, что значительно усложнят процесс миграции радона к поверхности. Вариации метеорологических величин (температура и влажность верхнего слоя грунта, атмосферное давление) весьма существенно влияют на миграцию радона и на его сток в атмосферу [33]. В меньшей степени на миграцию радона влияют изменения напряженно - деформированного состояния геосреды.
Для описания и прогноза поведения Rn в грунтовых водах, а также для интерпретации данных изотопного опробования природных вод в 30-х годах прошлого века была разработана физико-математическая модель переноса Rn в природной водной системе [34], которая в дальнейшем была усовершенствована в работах [12, 17].
В математической модели переноса радона в потоке водной среды [34] использовались следующие параметры: M и A - суммарное содержание и активность Rn на единицу объема V среды; C, a - концентрация и удельная активность радона Rn в среде; Q = V * S= [м3 * с-1] - расход воды в системе. Эти параметры связаны следующими соотношениями:
M = C * V, A = Xp * M = Xp * C * V = a * V, A = Xp * C, (1)
где Xp = 2.1 * 10_6 с-1 - константа радиоактивного распада радона, связанная со средним временем жизни радона Tp = Xp-1.
В модели предполагается мгновенное полное поперечное перемешивание Rn и отсутствие перемешивания в продольном направлении, при этом скорость эманиро-вания (q) определяется следующим образом [12]:
'0,x < 0 q = ^ q0 = const, 0 < x < l* (2) 0,x > l*
Для концентрации радона C = M/V с учётом того, что V = l * S из уравнения (2) с нулевой начальной концентрацией, получаем следующую задачу:
^ = q _ XpC(t), C(0) = 0 (3)
Таким образом, общее решение задачи с учетом условия (3) согласно [12], имеет вид:
(0, x < 0,
C„[1 _ exp(_Xpt)],0 < x < l*, , (4)
C*[1 _ exp(_Xpt)][exp(_X(t _ t*))],x > l*
здесь C^ = X0, t = -KQfit = Tn(x) - время пребывания воды и радона в системе
_ 40 + _ У№агег _
Хр
на участке длиной х; г * = 1 */у = У^ег/б = Т* - время пребывания воды и радона в активной зоне; г — г * = (х — 1 *)/у = 1 /V = У^ег/б = т^ - время движения воды и компонента до точки наблюдения, находящейся на расстоянии 1 от края активной зоны; (х) = х£п - объем воды в системе; У(х) - объём системы; п - пористость. Процесс эманирования в одномерный поток воды показан на верхней панели рис. 1, а распределение концентрации радона в потоке приведено на нижней панели.
На последней стадии подготовки землетрясений структурная неоднородность геосреды приводит к возникновению концентрации напряжений сжатия или растяжения
Активный участок //» V// / / ЯП / / / // л/ ///
1 ( \ ' ! I > I ^^ V, <5 Водный поток , ' I »
Активный участок
1 ЛСтах —1
1 / 1/ *
х = о х=£* х = £* + £
Рис. 1. Эманирование радона в одномерный водный поток, движущийся по каналу сечением Б со скоростью V см*с-1 и расходом р. Поток пересекает активный участок длиной I*
в разломных зонах. Если наблюдения проводятся в районе развитой гидрохимической системы, то ее общая реакция на деформационное воздействие пропорциональна интегральной сумме пространственно-временных вариаций деформационного поля.
В гомогенных твердых телах кинетика диффузии Ян, наряду с ядерной отдачей, представляет наиболее значимый физический процесс его поступления из твердой в жидкую и газообразную фазу пород. Процесс выделения Ян из минерала является двухстадийным. На первом этапе объемная диффузия определяет миграцию атомов к дефектам, которые являются ловушками. Далее ловушки-дефекты, мигрируя, переносят накопленные в них газы и другие компоненты. Следовательно, выделяемый (эманирующий) из минерала газ является газом ловушек, промигрировавших до более крупных пор, капилляров или свободной поверхности минерала. Энергия активации выхода атома из такой ловушки может оказаться больше энергии активации процесса миграции ловушки. В таких условиях для возникновения миграции необходимо наличие достаточного количества дефектов в минералах [12]. Дефекты в твердых телах присутствуют всегда, но кроме этого при пространственно-временных вариациях деформационного поля их количество может меняться. Так же может изменяться количество и объем магистральных (более крупных) пор и капилляров. В работе [35] показано, что перенос благородных газов с дефектами может активироваться не только повышением температуры, но и механического напряжения. Результатом изменения деформационного поля твердых пород и активации переноса Ян в минералах становится формирование радоновых аномалий в газах, растворенных в подземных водах.
В последнее десятилетие появились работы, в которых на основании изменения гидрохимического состава воды показаны предсейсмические и постсейсмические эффекты смешения подземных вод, зависящие от гидравлических свойств подземного резервуара [36, 37]. За основу берется модель, когда существуют две системы подземных вод со значительным различием гидрогеохимического состава, но гидравлически слабо связанных через область макронарушений, которая обеспечивает их смешения. В таком случае на стадии подготовки землетрясения при изменении напряженно-деформированного состояния блока геосреды может происходить поступление воды с повышенным содержанием ^п по слабопроницаемым блокам в более поверхностный горизонт.
Подтверждением подобных процессов является работа [38], в которой рассмотрены результаты непрерывного температурного мониторинга в скважине на о. Кунашир. На глубинах 20-240 м были выявлены непериодические температурные колебания, которые авторы связывают с изменениями порового давления, обусловленными деформациями земной коры и вызывающими изменения в режиме подземных вод с возникновением перетоков. Авторы указывают, что если протяженность водоносного горизонта существенно больше области, охваченной деформациями при подготовке ЗТ, то изменение в этой области порового давления может распространяться по водоносному горизонту далеко за ее пределы, причем отклик зависит от взаимного расположения очага готовящегося землетрясения и пункта регистрации в тектонической схеме региона.
Общее решение рассмотренной выше задачи сводится к поиску зависимости приращения концентрации ^п от времени. Воздействие импульса напряжений или впрыск в гидросистему некоторого объема воды с повышенным содержанием могут реализоваться по разным законам: единичный импульс - дельта-функция Дирака; продолжительное постоянное воздействие с резким фронтом роста напряжения; линейно увеличивающееся воздействие с резкой ступенькой в конце. Для этих вариантов в работе [17] был рассчитан отклик приращения в водном потоке. В случае воздействия прямоугольного импульса решение задачи представлено в виде системы уравнений:
'лс(г) = 0, г < 0
ЛС(г) = ЛСШйх(1 — е-Л),0 < г < г, , (5) ЛС(г) = ЛСШйх(1 — е-)е—Л(г—Чг > г,
где Л = Ха + Х^ + Хр - обобщенный кинетический параметр системы с-1; Ха -постоянная, характеризующая абсорбцию на стенках капилляров; Хм = б/У - характеристика пропускной способности гидрогеологической системы, Р - расход потока в системе, V - водообменный объем системы; Хр - постоянная распада радона.
Предвестниковые аномалии типа Б в поле подпочвенного радона, зарегистрированные на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне
Предвестники землетрясений типа Б по форме записи в работах [28, 30] объясняются моделью приращения ^п в потоке воды, разработанной в работах [12, 17]. Первая аномалия типа Б была зарегистрирована перед Кроноцким землетрясением
05 декабря 1997 г. с М = 7.7 в единственном пункте на тот период (РЭТ^, расположенном в Паратунском грабене (рис. 2) [39, 40].
К моменту написания статьи были зарегистрированы еще три аномалии типа Б перед землетрясениями (ЗТ) с М > 5.5 в двух пунктах (РЭТ^ ШБ^, строение верхней толщи грунта в которых и их устройство описаны в работе [10]. Эпицентры землетрясений, предварявшихся аномалиями типа Б, показаны на рис. 2. Параметры ЗТ и их предвестниковых аномалий приведены в табл. 1, в которой землетрясения пронумерованы по времени их возникновения.
С использованием решения задачи математической модели переноса ^п в водной среде с полным поперечным перемешиванием (5) рассчитывался теоретический отклик и проводилось сравнение формы теоретических и экспериментальных кривых ЛС нормированных на максимум. Методом подбора обобщенного кинетического параметра системы Л находилось наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных кривых (рис. 3).
Рис. 2. Карта расположения пунктов регистрации, на которых были зарегистрированы предвестниковые аномалии типа Б, эпицентры землетрясений и их механизмы. 1 - эпицентры землетрясений (таблица 1); 2 - пункты регистрации ОА 1^п; 3 - наиболее крупные разломы; 4 - разломы второго порядка (по схеме, составленной С.В. Попруженко и С.Е. Апрелковым, 1997 г.). ПГ - Паратунский грабен, П - Петропавловский горст
Исходя из формы зарегистрированных аномалий и теоретических кривых, время действия прямоугольного импульса напряжений можно принять для ЗТ_1 8, для 3т_3 трое суток и для ЗТ_4 около суток (черные прямоугольники на рис. 3). В первом случае, по-видимому, импульс напряжения состоял из двух частей, но для упрощения задачи рассматривался равномерный прямоугольный импульс с максимальной амплитудой. Если пренебречь постоянной, характеризующей абсорбцию на стенках капилляров ка и учесть что постоянная распада радона Хр = 2.1 * 10-6 с-1, то Л, в первую очередь, определяется пропускной способности всей гидрогеологической системы района пункта регистрации.
Таблица
Основные параметры землетрясений и их предвестниковых аномалий типа Б
№ Дата землетрясения M R, км H, км tAH tynp 8 % Л, с-1 Пункт регистрации
1 Кроноцкое Единственный
землетрясение, 7.7 402 33 11 28 250 0.03 пункт PRTR
5.12.1997 г.
2 18.09.2008 г. 5.9 112 35 23 45 25 0.002/ 0.025 INSR
3 19.02.2015 г. 5.5 56 82 5 7 20 0.06 PRTR
4 20.03.2016 г. 6.4 311 30 4 30 100 0.04 INSR
Примечание. M - магнитуда по National Earthquake Information Center (NEIC); R - расстояние от пункта регистрации до эпицентра землетрясения, H - глубина очага землетрясения, îah - длительность аномалии, сутки; tynp - время упреждения, 8% - относительная амплитуда аномалии, Л - обобщенный кинетический параметр.
Наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных кривых наблюдалось: для Кроноцкого землетрясения при Лх = 0.03 с-1 с коэффициентом корреляции т\ = 0.93, для 3T_3 при Л3 = 0.06 с-1 и r3 = 0.99, для ЗТ_4 при Л4 = 0.04 с-1 и r4 = 0.96.
По форме предвестниковые аномалии ЗТ_1 и 3, зарегистрированные в пункте PRTR, весьма похожи. На основании кинематических и динамических параметров, с учетом их магнитуды (M1 = 7.7, M3 = 5.5) и эпицентральных расстояний, можно говорить о некотором подобии этих предвестниковых аномалий: tArn/tAH3 = 2.2, tynp1/tynp3= 4.0, 81/83 = 12.5.
Согласно работе [41], в районе Паратунской гидротермальной системы, где расположен пункт PRTR, продуктивный геотермальный резервуар с температурой 75°C находится на отметке -750 м.абс. Поэтому, вероятность его гидравлической связи через зону макронарушений, которая обеспечивает процесс смешивания, весьма велика. При определенных условиях, даже слабые изменения напряженно-деформированного состояния геосреды могут приводить к тому, что гидротермальные воды, обогащенные растворенным Rn, могут проникать в более поверхностный горизонт и формировать предвестниковые аномалии. В пользу этого говорит и то, что в первых двух слоях содержание 226Ra не более 10 Бк/кг, и поэтому повышенная ОА Rn в пункте PRTR в зоне аэрации, может обеспечиваться только за счет смешения поверхностных вод с глубинными, имеющие повышенное содержание Rn. Действительно по георадарным данным в районе расположения датчиков выделяется разуплотненный
■120 0 120 240 360 480 800 720 -120 0 120 240 360 480 600 720
Время, час Время, час
Рис. 3. Зарегистрированные в подпочвенном радоне предвестниковые аномалии типа Б. Все кривые нормированы на максимум. Черным прямоугольником отмечено время воздействия на грунт напряжения с резким фронтом, звездочкой отмечен момент возникновения землетрясения: а - Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 г. с М = 7.7; б - землетрясение 18 сентября 2008 г. с М=5.9; в - землетрясение 19 февраля 2015 г. с М = 5.5; г - землетрясение 20 марта 2016 г. с М=6.4. 1 - модельные кривые, 2 - исходные данные, 3 - модельная кривая, второй участок, 8(1) - единичный импульс напряжения отрицательной полярности (дельта-функция Дирака).
участок, к которому, по данным эманационной съемки, приурочена повышенная относительно средней ОА Ян в подпочвенном воздухе [10].
Аномалия зарегистрированная в пункте INSR перед ЗТ_2 с М = 5.9 с очагом в акватории, прилегающей к южной части Камчатки, имеет самые большие времена упреждения гуПр=45 суток и длительности = 23 суток, по характеру поведения заднего фронта отличается от описанных выше аномалий. После прекращения воздействия импульса напряжения вместо расчетного плавного экспоненциального уменьшения наблюдается резкий экспоненциальный спад ОА Ян (рис. 3б). Разумным объяснением поведения кривой заднего фронта аномалии может следующее. Одновременно с прекращением воздействия импульса напряжения, возникает единичного импульс растяжения, что приводит к увеличению водного потока, приводящего к увеличению крутизны заднего фронта. Наиболее лучшее совпадение экспериментальной и расчетной кривой наблюдается для значений Л1 = 0.002 с-1 и Л3 = 0.025 с-1, при Г2008 = 0.96. После 23 суточного сжатия, приведшего к изменению гидрогеологических условий и впрыску воды с повышенным содержанием Ян, возник короткий импульс растяжения, прекративший поступление Ян и увеличивший пропускную способность гидрогеологической системы и скорость потока воды более чем на порядок.
Вторая аномалия с = 4 суток и = 30 суток, зарегистрированная в пункте INSR перед ЗТ_4, имеет большое значение относительной амплитуды 8 = 100% и быстрое нарастание переднего фронта (рис. 3г). Для нее наилучшее совпадение кривых наблюдается при Л = 0.04 с-1. Время воздействия импульса, вызвавшего аномалию, оценивается менее суток, что при общей длительности аномалии хорошо согласуется с процессом последующей релаксации (задний фронт аномалии) в течение 3 суток вследствие естественного распада Rn в потоке. Исходя из строения верхней толщи грунта в этом пункте, обводненные обвально-взрывные отложения ниже уровня грунтовых вод являются эмалирующим горизонтом, который подвергся воздействию области изменения порового давления распространяющейся по водоносному горизонту, что привело к формированию короткой и по форме близкой к импульсной аномалии.
Следует отметить, что единственный постсейсмический отклик в поле подпочвенного радона зафиксирован в этом пункте после глубокого Жупановского землетрясения с M = 7.2. С учетом данных о строении верхнего слоя толщи в данном пункте, можно предположить, что сейсмическое воздействие Жупановского землетрясения на обводненный слой грунта могло вызвать изменение его пористости и проницаемости. Следствием этого стал выход радона из ранее закрытых мелких пор в систему более крупных неоднородностей порового пространства, что привело к увеличению потока растворенного радона к границе уровня грунтовых вод [42].
Заключение
Сравнения экспериментальных и модельных кривых предвестниковых аномалий типа Б подтверждают возможность их возникновения по модели отклика концентрации Rn в водной среде с полным поперечным перемешиванием на воздействие прямоугольного импульса напряжения.
Различия по амплитуде, длительности и времени упреждения, а так же подобие двух аномалий, зарегистрированных в пункте PRTR указывает на различную реакцию поля подпочвенного радона на изменение напряженно-деформированного состояния геосреды в пунктах в зависимости от условий миграции радона к дневной поверхности. Кроме этого пункты PRTR и INSR располагаются в разных структурных элементах района побережья Авачинского залива, которые разделены существенными нарушениями земной коры, что так же влияет на чувствительность гидрогеологической системы на процессы подготовки землетрясения в разных пространственных областях Курило-Камчатской сейсмогенной зоны.
Возникновение аномалий можно объяснить процессами смешивания или инжек-ции, под воздействием импульсов напряжения, ранее изолированных насыщенных радоном вод в поверхностные горизонты, где по зонам разуплотнения водный поток способен достигнуть области установки датчиков. Предполагается, что деформационные процессы, возникающие при подготовке землетрясения, изменяя напряженно-деформированное состояние среды в области будущего очага, способны воздействовать на водоносные горизонты и это воздействие распространяется на расстояния, значительно превышающие указанную область. Это воздействие может диссипиро-вать в разломных зонах, снижая чувствительность пункта регистрации, или наоборот, усиливаться при наличии большого гидротермального резервуара, выступающего в роли объемного деформографа. Исходя из таких представлений объясняется
различие в отклике концентрации радона в пунктах регистрации на подготовку землетрясений с очагами в разных областях сейсмогенной зоны.
Список литературы
[1] Граммаков А. Г., Никонов А. И., Тарфеев Г. П., Радиометрические методы поисков и разведки урановых руд, Госгеолтехиздат, М., 1957, 610 с. [Grammakov A.G., Nikonov A. I., Tarfeev G. P., Radiometricheskie metody poiskov i razvedki uranovyh rud, Gosgeoltekhizdat, M., 1957, 610 pp.]
[2] Новиков Г. Ф., Капков Ю.Н., Радиоактивные методы разведки, Недра, Л., 1965, 759 с. [Novikov G. F., Kapkov YU.N., Radioaktivnye metody razvedki, Nedra, L., 1965, 759 pp.]
[3] Рудаков В. П., Динамика полей подпочвенного радона сейсмоактивных регионов СНГ, Автореф. дисс. ... докт. физ.-мат. наук, М., 1992, 37 с. [Rudakov V. P., Dinamika polej podpochvennogo radona sejsmoaktivnyh regionov SNG, Avtoref. diss. ... dokt. fiz.-mat. nauk, M., 1992, 37 pp.]
[4] Булашевич Ю. П. и др., "Изменение концентрации радона как предвестник горных ударов в глубоких шахтах", Горный журнал, 1996, №6, 19-22. [Bulashevich YU.P. i dr., "Izmenenie koncentracii radona kak predvestnik gornyh udarov v glubokih shahtah", Gornyj zhurnal, 1996, №6, 19-22].
[5] Уткин В. И., Юрков А. К., "Радон и проблема тектонических землетрясений", Вулканология и сейсмология, 1997, №4, 82-94. [Utkin V. I., YUrkov A. K., "Radon i problema tektonicheskih zemletryasenij", Vulkanologiya i sejsmologiya, 1997, №4, 82-94].
[6] Фирстов П. П., "Мониторинг объемной активности подпочвенного радона (222Rn) на Паратунской геотермальной системе в 1997-1998 гг. с целью поиска предвестников сильных землетрясений Камчатки", Вулканология и сейсмология, 1999, №6, 22-31. [Firstov P. P., "Monitoring ob"emnoj aktivnosti podpochvennogo radona (222Rn) na Paratunskoj geotermal'noj sisteme v 1997-1998 gg. s cel'yu poiska predvestnikov sil'nyh zemletryasenij Kamchatki", Vulkanologiya i sejsmologiya, 1999, №6, 22-31].
[7] Фирстов П. П., Рудаков В. П., "Результаты регистрации подпочвенного радона в 1997-2000 гг. на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне", Вулканология и сейсмология, 2003, №1, 26-41. [Firstov P.P., Rudakov V. P., "Rezul'taty registracii podpochvennogo radona v 1997-2000 gg. na Petropavlovsk-Kamchatskom geodinamicheskom poligone", Vulkanologiya i sejsmologiya, 2003, №1, 26-41].
[8] Яковлева В. С., Каратаев В. Д., "Плотность потока радона с поверхности земли как возможный индикатор изменений напряженно-деформированного состояния геологической среды", Вулканология и сейсмология, 2007, № 1, 74-77. [YAkovleva V. S., Karataev V. D., "Plotnost' potoka radona s poverhnosti zemli kak vozmozhnyj indikator izmenenij napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya geologicheskoj sredy", Vulkanologiya i sejsmologiya, 2007, № 1, 74-77].
[9] Лящук А. И., Павлович В.Н., Руссов В. Д., "Мониторинг концентрации радона как предвестник землетрясений в районе гор Вранча", Геофизический журнал, 30:2 (2008), 63-74. [Lyashchuk A. I., Pavlovich V. N., Russov V. D., "Monitoring koncentracii radona kak predvestnik zemletryasenij v rajone gor Vrancha", Geofizicheskij zhurnal, 30:2 (2008), 63-74].
[10] Фирстов П. П., Макаров Е. О., Акбашев Р. Р., "Мониторинг концентрации почвенных газов на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне в связи с прогнозом сильных землетрясений", Сейсмические приборы, 51:1 (2015), 60-80. [Firstov P.P., Makarov E. O., Akbashev R. R., "Monitoring koncentracii pochvennyh gazov na Petropavlovsk-Kamchatskom geodinamicheskom poligone v svyazi s prognozom sil'nyh zemletryasenij", Sejsmicheskie pribory, 51:1 (2015), 60-80].
[11] Swolfs H.S., Stress-monitoring system for earthquake prediction, Report TR, Terra-Tek, Salt Lake City, 1976.
[12] Гудзенко В. В., Дубинчук В. Т., Изотопы радия и радон в природных водах, Наука, М., 1987, 45 с. [Gudzenko V. V., Dubinchuk V. T., Izotopy radiya i radon v prirodnyh vodah, Nauka, M., 1987, 45 pp.]
[13] Бондаренко В.М., Иванова Т. М., "Перенос радона в горном массиве: модели и экспериментальные данные", Геология и разведка, 1999, №4, 96-107. [Bondarenko V. M., Ivanova T.M., "Perenos radona v gornom massive: modeli i ehksperimental'nye dannye", Geologiya i razvedka, 1999, №4, 96-107].
[14] Паровик Р. И., Математическое моделирования неклассической теории эманацион-ного метода, КамГУ им. В. Беринга, Петропавловск-Камчатский, 2014, 80 с. [Parovik R. I., Matematicheskoe modelirovaniya neklassicheskoj teorii ehmanacionnogo metoda, KamGU im. V. Beringa, Petropavlovsk-Kamchatskij, 2014, 80 pp.]
[15] Нафикова А. Р. и др., "Сравнительное сопоставление данных вычислительного и натурного экспериментов по исследованию процессов переноса радона в кусочно-однородных горизонтально-слоистых средах", АНРИ, 2016, №4(87), 67-72. [Nafikova A. R. i dr., "Sravnitel'noe sopostavlenie dannyh vychislitel'nogo i naturnogo ehksperimentov po issledovaniyu processov perenosa radona v kusochno-odnorodnyh gorizontal'no-sloistyh sredah", ANRI, 2016, №4(87), 67-72].
[16] Varhegyi A., Baranyi I., Somogyi G. A., "Model for the vertical subsurface radon transport in "geogas"microbubbles", Geophys. Transactions, 32:3 (1986), 235-253.
[17] Dubinchuk V. T., "Radon as a precursor of earthquakes", Isotopic geochemical precursors of earthquakes and volcanic eruption, Proceedings of an Advisory Group Meeting held in Vienna, 9-12 September 1991, Vienna, 1991, 6-22.
[18] Etiope G., Martinelli G., "Migration of carrier and trace gases in the geosphere: an overview", Phys.Earth Planet. Inter., 129 (2002), 185-204.
[19] Yakovleva V. S., Parovik R. I., "Solution of diffusion-advection equation of radon transport in many-layered geological media", Nukleonika, 55:4 (2010), 601-606.
[20] Горбушина Л. В., Тыминский В. Г., Спиридонов А. И., "К вопросу о механизме образования радиогидрогеологических аномалий в сейсмоактивном районе и их значение при прогнозировании землетрясений", Советская геология, 1972, № 1, 153-156. [Gorbushina L. V., Tyminskij V. G., Spiridonov A. I., "K voprosu o mekhanizme obrazovaniya radiogidrogeologicheskih anomalij v sejsmoaktivnom rajone i ih znachenie pri prognozirovanii zemletryasenij", Sovetskaya geologiya, 1972, № 1, 153-156].
[21] Грацинский В. Г., Горбушина Л. В., Тыминский В. Г., "О выделении радиоактивных газов из образцов горных пород под действием ультразвука", Физика Земли, 1967, № 10, 91-94. [Gracinskij V. G., Gorbushina L. V., Tyminskij V. G., "O vydelenii radioaktivnyh gazov iz obrazcov gornyh porod pod dejstviem ul'trazvuka", Fizika Zemli, 1967, № 10, 91-94].
[22] King C.Y., "Gas-geochemical approaches to earthquake prediction", Isotopic geochemical precursors of earthquakes and volcanic eruption, Proceedings of an Advisory Group Meeting held in Vienna, 9-12 September 1991, Vienna, 1991, 22-36.
[23] Козлова И. А., Юрков А. К., "Отражение последовательных сейсмических событий в поле объемной активности радона", Уральский геофизический вестник, 2016, № 1, 3539. [Kozlova I. A., YUrkov A. K., "Otrazhenie posledovatel'nyh sejsmicheskih sobytij v pole ob"emnoj aktivnosti radona", Ural'skij geofizicheskij vestnik, 2016, № 1, 35-39].
[24] Барсуков В. Л. и др., Значение гидрогеохимических методов для краткосрочного прогноза землетрясений / Гидрогеохимические предвестники землетрясений, Наука, М., 1985. [Barsukov V. L. i dr., Znachenie gidrogeohimicheskih metodov dlya kratkosrochnogo prognoza zemletryasenij / Gidrogeohimicheskie predvestniki zemletryasenij, Nauka, M., 1985].
[25] Понамарев А. С., "Фракционирование в гидротерме как потенциальная возможность формирования предвестников землетрясений", Геохимия, 1989, № 5, 714-724. [Ponamarev A. S., "Frakcionirovanie v gidroterme kak potencial'naya vozmozhnost' formirovaniya predvestnikov zemletryasenij , Geohimiya, 1989, №5, 714-724].
[26] Макаров Е.О., Отклик в динамике подпочвенного радона на подготовку сильных землетрясений Камчатки и северо-западной окраины Тихого океана, автореф. дис. на соискание степени канд. физ.-мат. наук, Петропавловск-Камчататский, 2017, 22 с. [Makarov E.O., Otklik v dinamike podpochvennogo radona na podgotovku sil'nyh zemletryasenij Kamchatki i severo-zapadnoj okrainy Tihogo okeana, avtoref. dis. na soiskanie stepeni kand. fiz.-mat. nauk, Petropavlovsk-Kamchatatskij, 2017, 22 pp.]
[27] Макаров Е. О., Фирстов П. П., Волошин В. Н., "Аппаратурный комплекс для регистрации концентрации подпочвенных газов с целью поиска предвестниковых аномалий
сильных землетрясений Южной Камчатки", Cейсмические приборы, 48:1 (2012), 514. [Makarov E. O., Firstov P.P., Voloshin V. N., "Apparaturnyj kompleks dlya registracii koncentracii podpochvennyh gazov s cel'yu poiska predvestnikovyh anomalij sil'nyh zemletryasenij YUzhnoj Kamchatki", Cejsmicheskie pribory, 48:1 (2012), 5-14].
[28] Фирстов П. П., Макаров Е. О., "Реакция подпочвенного и растворенного в подземных водах радона на изменение напряженно-деформированного состояния земной коры", Сейсмические приборы, 51:4 (2015), 58-80. [Firstov P.P., Makarov E.O., "Reakciya podpochvennogo i rastvorennogo v podzemnyh vodah radona na izmenenie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya zemnoj kory", Sejsmicheskie pribory, 51:4 (2015), 58-80].
[29] Фирстов П. П. и др., "Поиск предвестниковых аномалий сильных землетрясений по данным мониторинга подпочвенных газов на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне", Геосистемы переходных зон, 2:1 (2018), 16-32. [Firstov P.P. i dr., "Poisk predvestnikovyh anomalij sil'nyh zemletryasenij po dannym monitoringa podpochvennyh gazov na Petropavlovsk-Kamchatskom geodinamicheskom poligone", Geosistemy perekhodnyh zon, 2:1 (2018), 16-32].
[30] Фирстов П. П. и др., "Особенности одного из типов предвестниковых аномалий землетрясений в подпочвенном радоне на пункте Паратунка (Камчатка)", АНРИ, 2016, №4(87), 55-62. [Firstov P. P. i dr., "Osobennosti odnogo iz tipov predvestnikovyh anomalij zemletryasenij v podpochvennom radone na punkte Paratunka (Kamchatka)", ANRI, 2016, №4(87), 55-62].
[31] Паскарь С. Ю., Паровик Р.,И., "Математическое моделирование переноса радона в вла-гонасыщенном грунте", Международный студенческий научный вестник, 2015, №6, 1-8. [Paskar' S.YU., Parovik R.,I., "Matematicheskoe modelirovanie perenosa radona v vlagonasyshchennom grunte", Mezhdunarodnyj studencheskij nauchnyj vestnik, 2015, №6, 1-8].
[32] Новиков Г.Ф., Радиометрическая разведка, Наука, Л., 1989, 407 с. [Novikov G.F., Radiometricheskaya razvedka, Nauka, L., 1989, 407 pp.]
[33] Рудаков В.П., Эманационный мониторинг геосред и процессов, Научный мир, М., 2009, 175 с. [Rudakov V.P., EHmanacionnyj monitoring geosred i processov, Nauchnyj mir, M., 2009, 175 pp.]
[34] Огильви А.Н., "О каптаже радиоактивных вод и о колебаниях их радиоактивности в зависимости от дебита", Изд. Бальнеологич. ин-та КМВ, 6 (1928), 85-93. [Ogil'vi A.N., "O kaptazhe radioaktivnyh vod i o kolebaniyah ih radioaktivnosti v zavisimosti ot debita", Izd. Bal'neologich. in-ta KMV, 6 (1928), 85-93].
[35] Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, Наука, М., 1976, 560 с. [Regel' V. R., Slucker A. I., Tomashevskij EH. E., Kineticheskaya priroda prochnosti tverdyh tel, Nauka, M., 1976, 560 pp.]
[36] Копылова Г. Н., Болдина С. В., "Аномальные изменения химического состава подземных вод в связи с Камчатским землетрясением 02.03.1992 г.(Мш = 6.9)", Геофизические исследования, 13:1 (2012), 39-49. [Kopylova G.N., Boldina S. V., "Anomal'nye izmeneniya himicheskogo sostava podzemnyh vod v svyazi s Kamchatskim zemletryaseniem 02.03.1992 g.(Mw = 6.9)", Geofizicheskie issledovaniya, 13:1 (2012), 39-49].
[37] Wang R. et al., "Modeling of hydrogeochemical anomalies induced by distant earthquakes", Geophys. J. Int., 157 (2004), 717-726.
[38] Демежко Д. Ю. и др., "О природе температурных вариаций в скважине kun-1 (о. Ку-нашир)", Геология и геофизика, 53:3 (2012), 406-414. [Demezhko D.YU. i dr., "O prirode temperaturnyh variacij v skvazhine kun-1 (o. Kunashir)", Geologiya i geofizika, 53:3 (2012), 406-414, 170-176 pp.]
[39] Фирстов П. П., "Изменение объемной активности радона (222Rn) в подпочвенном газе перед Кроноцким землетрясением 5 декабря 1997 г. с M = 7.7 в районе Пара-тунского месторождения гидротермальных вод (Камчатка)", Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 г., Изд-во КГАРФ, Петропавловск-Камчататский, 1998, 170-176 с. [Firstov P.P., "Izmenenie ob"emnoj aktivnosti radona (222Rn) v podpochvennom gaze pered Kronockim zemletryaseniem 5 dekabrya 1997 g. s M = 7.7 v rajone Paratunskogo mestorozhdeniya gidrotermal'nyh vod (Kamchatka)", Kronockoe zemletryasenie na Kamchatke 5 dekabrya 1997 g., Izd-vo KGARF, Petropavlovsk-Kamchatatskij, 1998].
[40] Гусев А.А. и др., "Сильное Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 года: основные данные, сейсмичность очаговой зоны, механизм очага, макросейсмический эффект", Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997г., Изд-во КГАРФ, Петропавловск-Камчататский, 1998, 32-54 с. [Gusev A.A. i dr., "Sil'noe Kronockoe zemletryasenie 5 dekabrya 1997 goda: osnovnye dannye, sejsmichnost' ochagovoj zony, mekhanizm ochaga, makrosejsmicheskij ehffekt", Kronockoe zemletryasenie na Kamchatke 5 dekabrya 1997 g, Izd-vo KGARF, Petropavlovsk-Kamchatatskij, 1998, 32-54 pp.]
[41] Kiryukhin A. V. et al., "Thermal-permeability structure and recharge conditions of the low temperature Paratunsky geothermal reservoirs, Kamchatka, Russia", Geothermics, 70 (2017), 47-61.
[42] Фирстов П. П., Макаров Е. О., Глухова И. П., "Аномалии в динамике подпочвенных газов на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне во временной окрестности глубокого Жупановского землетрясения 30.01.2016 г., M =7.2", Вулканология и сейсмология, 2018, №5. [Firstov P. P., Makarov E.O., Gluhova I. P., "Anomalii v dinamike podpochvennyh gazov na Petropavlovsk-Kamchatskom geodinamicheskom poligone vo vremennoj okrestnosti glubokogo ZHupanovskogo zemletryaseniya 30.01.2016 g., M = 7.2", Vulkanologiya i sejsmologiya, 2018, №5].
Для цитирования: Макаров Е.О., Фирстов П. П. Модель некоторых предвестниковых аномалий в поле подпочвенного радона землетрясений с M > 5.5 на полуострове Камчатка // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 4(24). C. 133-147. DOI: 10.18454/2079-66412018-24-4-133-147
For citation: Makarov E. O, Firstov P. P. Model of some predictive anomalies in the field of subsoil radon of earthquakes with M > 5.5 in kamchatka peninsula, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2018, 24: 4, 133-147. DOI: 10.18454/2079-6641-2018-24-4-133-147
Поступила в редакцию / Original article submitted: 28.06.2018
Vestnik KRAUNC. Fiz.-Mat. Nauki. 2018. no.4(24). pp. 133-147. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2018-24-4-133-147
MSC 86A17
MODEL OF SOME PREDICTIVE ANOMALIES IN
THE FIELD OF SUBSOIL RADON OF EARTHQUAKES WITH M > 5.5 IN KAMCHATKA
PENINSULA
E.O. Makarov12, P.P. Firstov1
1 Kamchatka Branch of Federal Research Center Geophysical Survey,
Petropavlovsk-Kamchatsky, Piypa b-r., 9, Russia
2 Vitus Bering Kamchatka State University, 683031, Petropavlovsk-Kamchatsky,
Pogranichnaya st., 4, Russia
E-mail: [email protected] [email protected]
At the Petropavlovsk-Kamchatsky geodynamic test site, for almost 20 years, a network of monitoring stations for subsoil radon has been operating. During the work, a number of anomalies were registered, which preceded earthquakes with a magnitude M> 5, which by morphological features are divided into two types (A, B). The paper analyzed in detail the mechanism of occurrence of type B anomalies on the basis of a mathematical model for the propagation of radon in a stream of groundwater with complete transverse mixing. An attempt was made to link some features of the appearance of predictive anomalies of type B with the areas of occurrence of earthquakes.
Key words: radon, mathematical modeling, radon anomaly, earthquake pridiction, Kamchatka, radon monitoring, geothermal reservoir, deformation
© Makarov E.O, Firstov P. P., 2018
* This work was supported by the RFBR grant No 16-05-00162
