CC BY
17
УДК 552.08 http://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-4-62-70
связь между аномалиями объемной активности радона и процессом подготовки землетрясений (на примере Южных Курил)
Сергей Викторович БИРЮЛИН* Ирина Анатольевна коЗЛоВА** Анатолий константинович Юрков***
Институт геофизики им. Ю. П. Булашевича УрО РАН, Екатеринбург, Россия Аннотация
Актуальность работы. С конца 1960-х гг. в выполненных исследованиях отмечалось изменение концентрации радона, связанное с землетрясениями, и рассматривались прогностические возможности таких вариаций. Однако до сих пор отсутствует единое мнение относительно того, землетрясение вызывает радоновую аномалию или наоборот - радоновая аномалия предшествует ему. Для ответа на этот вопрос необходимо провести анализ большого количества экспериментальных данных за длительный промежуток времени наблюдений в районе с известным геолого-тектоническим строением. В качестве экспериментальной базы для проведения такого анализа были взяты результаты радонового мониторинга, выполненного на Южно-Курильском геодинамическом полигоне.
Цель работы: поиск закономерностей между результатами многолетнего мониторинга объемной активности радона (ОАР) и процесса подготовки произошедших землетрясений в период с 2011 по 2018 г. в ЮжноКурильском регионе.
Методология исследования: обработка данных долговременного мониторинга и сопоставление радоновых аномалий с землетрясениями. Выявление закономерностей по полученным результатам. Результаты. В данной работе приведены результаты применения различных геодинамических критериев -отношения магнитуды к логарифму расстояния К при сопоставлении результатов наблюдения ОАР -и произошедших землетрясений.
Выводы. По разработанной методике выполнялось сопоставление землетрясений, произошедших в пределах 500 км от Южно-Курильска с 2011 по 2018 г., которым соответствуют различные геодинамические критерии. Выявлено, что всем зафиксированным землетрясениям с К > 2,5 предшествовали радо-новые аномалии. Для К > 2,2 аномальные изменения ОАР отмечались перед 88 землетрясениями из 90 (97,7 %), для К > 2 аномальные изменения ОАР отмечались перед 148 из 166 (89 %). Для проверки существования связи между аномалиями радона и землетрясениями выполнялось моделирование случайных последовательностей. Случайные последовательности аномалий ОАР и землетрясений сопоставлялись друг с другом, затем вычислялась теоретическая вероятность. Полученные результаты сравнивались со значениями, полученными при сопоставлении реальных наблюдений. Вычисленные теоретические вероятности значительно ниже экспериментальных, что подтверждает наличие связи между аномалиями и землетрясениями. Установлено, что землетрясения на кривых ОАР отмечаются после прохождения экстремума.
Ключевые слова: землетрясения, аномалии радона, предвестники, Южные Курилы.
Введение
К природным явлениям, представляющим реальную угрозу для жизни людей, сохранности инженерных сооружений, наряду с наводнениями, ураганами и извержениями вулканов относятся и землетрясения. По данным геологической службы США, только за период с 2000 по 2018 г. во всем мире в результате землетрясений погибло свыше 800 000 человек. Ураганы, наводнения и в какой-то мере извержения вулканов достаточно хорошо прогнозируются в отличие от землетрясений, хотя для последних известно около 200 явлений, тем или иным образом связанных с процессом подготовки землетрясения или вызываемых им. Одним из наиболее распространенных
прогностических методов является анализ вариаций объемной активности почвенного радона (ОАР), измерения которой просто реализуются на практике и ее изменения физически обоснованы. С конца 1960-х гг. в работах, выполненных в СССР, Китае, Японии и США [1, 2], отмечалось, что концентрации радонового газа в земле изменялись до возникновения землетрясений [3], что давало надежду на его использование в качестве прогностического критерия, учитывая физические особенности и простоту регистрации. На основе наблюдений ОАР сделаны несколько успешных прогнозов времени проявления землетрясений [4, 5].
Sserrega2009@gmail.com
"igfuroran@mail.ru
'"akyurkov@mail.ru
Радон (В.п-222) образуется при радиоактивном распаде Ва-226 в ряду и-238 в земной коре. Поскольку радон является радиоактивным газом, организация его инструментальных измерений сравнительно простая и относительно недорогая. Небольшим периодом полураспада Вп (3,82 дня) обусловлено отсутствие кумулятивного эффекта, поэтому краткосрочные изменения концентрации в земле могут регистрироваться с очень хорошим временным разрешением. В.п-222 непрерывно генерируется в горных породах в процессе распада радия и уверенно измеряется даже при небольших содержаниях [6]. Его перенос в земной коре регулируется пористостью и проницаемостью горных пород [7], а также зависит от гидрометеорологических условий. Вариации напряженно-деформированного состояния в верхней части земной коры [8, 9] приводят к изменениям объемной активности почвенного радона.
Механизм формирования наблюдаемых радоновых аномалий до сих пор слабо изучен, хотя и было предложено несколько теорий [10-13]. За последние три десятилетия возникновение аномальных временных изменений концентраций радона изучалось рядом авторов, специализирующихся на измерениях Вп в почвенном газе [14-20], в грунтовых водах [21-24], в приземной атмосфере [25-27]. Использование радона в качестве индикатора изменений напряженного состояния горных пород, приводящих к тектоническим землетрясениям, широко применяется во всем мире [6, 28-33]. Но результаты проведенных исследований не во всех случаях однозначны и не всегда четко позиционируют радон как вероятный предвестник тектонического землетрясения. Это может объясняться использованием разной аппаратуры, методик и способов, различных условий измерений (в воде, почве, приземной атмосфере). К настоящему времени, несмотря на большой объем выполненных измерений, нет однозначного ответа на вопрос о последовательности радоновых аномалий и землетрясений. Остается неясным: радоновые аномалии предшествуют землетрясениям или наоборот, и есть ли причинно-следственная связь между ними.
Для объяснения неудач некоторых ранее выполненных исследований, определения причинно-следственной связи между аномалиями радона и землетрясениями и установления пространственно-временных закономерностей целесообразно выполнить интерпретацию длительных мониторинговых наблюдений О АР в сейсмоактивном районе с известными геолого-тектоническими условиями. Для анализа были использованы результаты мониторинга ОАР с 2011 по 2018 г. на станции Южно-Ку-рильск, остров Кунашир.
Аппаратура и методика. Мониторинг ОАР велся в адвективном режиме (вынужденной конвекции) [34] с помощью серийных приборов РГА-04, 81ВАО МВ106 и ВАБЕХ МВ107. Почвенный воздух доставлялся к детекторам непрерывно работающим мембранным насосом из шпуров, заглубленных на 0,7 м от поверхности. Концентрация ОАР фиксировалась один раз в 4 часа. В качестве источников информации о землетрясениях для ретроспективного анализа использовались каталоги ШС8 (Геологическая служба США).
Условия измерения ОАР на станции Южно-Курильск сохранялись неизменными на протяжении всего периода наблюдений, что обеспечило надежность полученных данных. Точка измерения находилась в подвальном помещении сейсмостанции, что гарантирует исключение влияния атмосферных осадков. Забор почвенного воздуха осуществлялся с места контакта рыхлых отложений и лавового потока в виде монолитного тела на восточном берегу о. Кунашир, состоящего из эффузивных горных пород андезитового состава. Подстилающие породы представлены рыхлыми образованиями. Поэтому лавовый поток обладает повышенной чувствительностью к изменениям напряженно-деформированного состояния. При тектонических подвижках в лавовом потоке могут возникать изгибовые деформации с образованием зон сжатия и растяжения. Возникающая схема тектонических напряжений достаточно близко совпадает с условиями при измерениях ОАР, выполненными в шахтах СУБРа.
Анализировались землетрясения с M > 4,0, произошедшие с 30.09.2011 по 18.10.2018 г. в пределах 500 км от станции мониторинга ОАР. Радиус охвата произошедших тектонических событий выбирался на основе деформационной модели, предложенной И. П. Добровольским [35], определяющей размеры деформационной зоны по критерию (геодинамический критерий K) отношения магниту-ды к логарифму расстояния M/lg R > 2,5. Использование модели И. П. Добровольского обусловлено тем, что аномалии ОАР вызываются, с точки зрения авторов, изменениями проницаемости и пористости, возникающими в результате деформационных процессов при подготовке землетрясений.
Рассматривались тектонические события с K > 2 в силу того, что механизмы подготовки землетрясений, которым соответствует геодинамический критерий K < 2, практически не отмечались в аномалиях ОАР. Величина критерия K > 2 является более подходящей еще и потому, что при M/lg R > 2,5 не учитывалось большое количество аномалий ОАР, которые предшествовали землетрясениям.
Выделение аномальных участков изменения ОАР. При обработке результатов долговременного мониторинга ОАР, проведенного на станции Южно-Курильского полигона, была разработана методика выделения аномалий и их сопоставления с последующими землетрясениями. Аномалия на графике ОАР определялась как участок, на котором не менее трех значений ОАР как минимум в два раза превышали фоновый уровень перед началом повышения объемной активности радона. Фоновый уровень ОАР зависим от нескольких факторов, таких как температура, приливные воздействия, влажность, поэтому его необходимо определять перед каждым конкретным землетрясением.
При выделении аномалий, как показал опыт работы, необходимо учитывать их положение относительно ближней и дальней зоны. Наиболее важным представляется выделение аномалий, связанных с землетрясениями ближней зоны, которые представляют наибольшую опасность. В случае появления аномалии ОАР и следующего за этой аномалией события необходимо с помощью сейсмологических данных оценить расстояние до произошедшего землетрясения по отношению к ближней и дальней зоне.
В случае если аномалия ОАР не сопровождается событием, отнесенным к дальней зоне, то опасность, связанная с возникновением землетрясения в ближней зоне, не снимается.
На рис. 1 представлен пример сопоставления выделенных радоновых аномалий и последующих тектонических событий. В начале графика четко выделяется существенное увеличение объемной активности почвенного радона с экстремумом аномалии 24.10.2015 г. За временной промежуток с 21.10.2015 по 28.10.2015 г. землетрясений с К > 2 не зафиксировано. Далее по графику выделяется еще одна аномалия почвенного радона (фиолетовая линия). Почти сразу после максимального значения ОАР данной аномалии 28.10.2015 г. произошло землетрясение с К = 2,23 на расстоянии 129 км от станции мониторинга. Потом возникла еще одна аномалия радона (зеленая линия), к максимальным значениям которой приурочено землетрясение, эпицентр которого находился на расстоянии 417 км от мониторинговой станции (К= 2,06). Максимальные значения рассмотренной аномалии значительно ниже двух предыдущих, это может быть связано с тем, что прошел недостаточный период времени для установления равновесия в ряду радий-радон [36]. 04.11.2015 г. произошло еще два землетрясения (К = 2,63, Я = 80 км; К = 2,05, Я = 113 км). Предполагается, что процесс подготовки этих событий вызвал крупную аномалию (начало графика, синяя линия). Так выполнялось сопоставление всех выделенных аномалий почвенного радона и соответствующих им тектонических событий.
Обсуждение результатов
На рис. 2 приведены все события и выделенные аномалии ОАР в координатах магнитуды и логарифма расстояний от эпицентра землетрясения до станции наблюдения. Проведены линии, разделяющие события с геодинамическим критерием К (отношение магнитуды к логарифму расстояния): К > 2; К > 2,2; К > 2,5. Общее количество тектонических событий за рассмотренный период с К > 2 составило 166, из которых 148 предшествовали аномалии Яп (89 %). Количество землетрясений с К > 2,5 составило 36 и всем им предшествовали аномалии ОАР. Кроме того, на основе анализа полученного графика рассмотренных тектонических землетрясений в поле мониторинговых значений ОАР (рис. 3) выделен критерий К > 2,2, по которому 88 из 90 землетрясений предшествовали радоновые аномалии (98 %). Причина выделения критерия К > 2,2 в первую очередь обусловлена тем фактом, что большое количество землетрясений с М < 5,6 на расстоянии < 200 км от станции мониторинга и землетрясений с М > 6 на расстоянии от станции мониторинга свыше 200 км не соответствуют критерию К > 2,5, но многим из них предшествовали радоновые аномалии. Также из графика (рис. 3) видно, при соотношении К < 2,2 значительно возрастает количество сейсмических событий, которые не отразились в кривых ОАР. При первичной интерпретации в качестве основного принят критерий К > 2,5, так как он выполняется для двух прогностических методов - уровня и температуры, но в дальнейшем для получения более статистически обосно-
5015
4515
40 J 5
3515
3015
гп
I
25)5
Он
<
О
2015
1515
1015
_ 2&J29
\ 2,06 417 2,05 J13 1 / V 1 ЯЛ _ ^
о о о о
ГМ f4 (N [М
ооооооооооо
— — !/-)
<N IN (N
^ гЛ
- '<•] VI -
1Л 1Л
n n Ш (Ч N
in vi ^ л л . -: г- г-
Г-J Г-1 4~J Г J (N] O N h I4-
(N M M <4 (N
о О о о С О о о о О
ГМ <N 4*1 V4. 4*1
гН Tf (Ч о о
(ч СМ ЧП СМ
1Л i/\ m (Л
о — — О —1 —1 О — —1
о О о о о о о
о\ СМ вС (N О о m
OQ (N гч m о fl гг,
OOOOOOOOOOOOOOO
un 1*4
¿i <b
^ - "
—1 (П —1 1Л in
iNO-n-iNOTrtN^OO -rvl^-rvl,- — - IN
о о -
О П П О СП
5 3 в
Дата, время
Рисунок 1. Наблюдаемые значения объемной активности радона (ОАР) и произошедшие землетрясения (показаны точками).
Надписи над точками: первое число - отношение магнитуды землетрясения к логарифму расстояния от эпицентра до станции мониторинга; второе число - расстояние от эпицентрадо станции ммниторинга
Figure 1. Observed values of radon volume activity (RVA) and earthquakes that occurred (shown by dots). Labels above the dots: the first number is the ratio of the earthquake magnitude to the distance logarithm from the epicenter to the monitoring station; the second number is the distance from the epicenter to the monitoring station
64 С. В. Бирюлин и др. Связь между аномалиями объемной активности радона и процессом подготовки землетрясений (на примере Южных Курил)//Известия УГГУ. 2021. Вып. 4 (64). С. 62-70. 00110.21440/2307-2091-2021-4-62-70
Рисунок 2. Тектонические землетрясения в поле значений ОАР. Точками обозначены события, отразившиеся в кривых аномалий ОАР РомИами - события, которые не отразились в кривых аномалий ОАР Желтая прямая лиоия соответствует со отношению M/lg R = 2,5; лиловая прямая линия - соотношению M/lg R = 2,2; зеленая прямая линия - соотношению M/lg R = 2 Figure 2. Tectonic earthquakes in the field of RVA values. The dots indicate the events reflected in the RVA anomaly curves. Diamonds -events that are not reflected in the RVA anomaly curves. The yellow straight line corresponds to the ratio M/lg R = 2.5; the purple straight line -ratio M/lg R = 2.2; the green straight line - ratio M/lg R = 2
Рисунок: 3. Пример отражениясобытия «ближней» зоны и определяемые параметры по кривой ОАР: А - точка начала аномалии; Б - экстремум! аномалии; В - конец аномалии; Г - момент землетрясения. Величина ВГ является важной в плане определения «ближней» и «дальней» зон подготовки сейсмическэао события. Вэличина БГ показывает проявленир землетррсенни относительно точкр экстремума анотатии
Figure 3. An example of the reflection of a "near" zone event and the determined parameters according to the RVA curve: A - the
beginning point of the anomaly; B - the extremum of the anomaly; C - the end of the anomaly; D - the moment of the earthquake. The GH value is important in terms of determining the "near" and "far" zones of the preparation of a seismic event. The BG value shows the manifestation of the earthquake relative to the extremum point of the anomaly
ванных закономерностей также использовались аномалии ОАР, связанные со всеми проанализированными землетрясениями, удовлетворяющими критерию > 2.
Для теоретической проверки существования причинно-следственной связи между аномалиями радона и
последующими землетрясениями применялась методика, разработанная А. В. Викулиным. Основными элементами методики исследования распределения землетрясений во времени являются: составление числовой последовательности интервалов между землетрясениями, следующими
друг за другом; расчет случайной теоретической числовой последовательности, соответствующей закону Пуассона; сравнение экспериментальной и числовой теоретической последовательности. Результат выражается доверительной вероятностью [37].
Предполагается, что связь между экспериментальными распределениями землетрясений и аномалий ОАР присутствует в том случае, если теоретическая вероятность связи землетрясений и интервалов радоновых аномалий, распределенных случайным образом по закону Пуассона, ниже экспериментальной. Отдельно рассматривались последовательности сейсмических событий с M/lg R > 2 и M/lg R > 2,2 и соответствующие выделенные аномалии. Согласно методике, выполнялось составление числовых последовательностей интервалов между следующими друг за другом землетрясениями и наблюдавшимися аномалиями ОАР и вычислялись их параметры. Затем на основе вычисленных данных (математическое ожидание) для землетрясений и радоновых аномалий рассчитывались случайные теоретические числовые последовательности, соответствующие закону распределения Пуассона. На заключительном этапе полученные теоретические вероятности сравнивались с экспериментальными.
Дляземлетрясений с К > 2 экспериментальнаяверо-ятность составила 0,89; теоретическая - 0,35. Для тектонических событий с i» >И,В аналогоиныл ветиноныснтта-втлиТ,Н0 иО,С сяответотведло. В результате применения методики исследования распределений землетрясений и радоновых аномалий установлено, что для рассмотренных событий по критериям K > 2 и K > 2,2 полученные теоретические вероятности отражения в радоновых аномалиях в обоих случаях значительно ниже вероятностей, полученных экспериментально. Результаты свидетель-
ствуют о наличии причинно-следственной связи между экспериментально полученными выборками аномалий и землетрясений.
Важным вопросом остается последовательность землетрясений и радоновых аномалий. Неясно, землетрясение предшествует радоновой аномалии или наоборот. С физической точки зрения понятно, что увеличение ОАР в результате землетрясения произойдет за счет разрушения горных пород в зоне очага. Исходя из условий измерений, зафиксировать это увеличение практически невозможно, так как мы не можем проводить измерения в очаге. Выделившийся при разрушении горных пород радон за счет короткого времени жизни и малой скорости диффузии не достигнет находящегося на поверхности детектора. С нашей точки зрения, наблюдающиеся после землетрясения аномалии радона могут быть связаны с чем-то другим. Интерпретация радоновых аномалий основана на наших представлениях о том, что они образуются за счет изменения напряженно-деформированного состояния и вызываются вариациями проницаемости и пористости горных пород. Для того чтобы это подтвердить, рассматривались все землетрясения, соответствующие геодинамическому критерию M/lg R > 2. Для каждого тектонического события определялась разница между временем землетрясения и временем максимума аномалии, предшествующей этему событию (рис.3).
На рис. 4 приведена гвлиограммараспнеделения всехзафиксчрдвднных темлытрясвнийс _Р>Нлт времени, прошедшему между экстремумом аномалии ОАР и событием. Для каждой пары землетрясения и радоновой аномалии получена положительная разница между временем экстремума аномалии и временем возникновения землетрясения.
Каждое проанализированное землетрясение с геодинамическим критерием K > 2, которому предшествовало
Рисунок 4. Распределение временных интервалов возникновения землетрясений с K > 2 относительно экстремума предшествующей аномалии радона
Figure4. Distribution of time intervals for earthquakes with K > 2 relative to the extremum of the previous radon anomaly
аномальное повышение ОАР, произошло либо после экстремума, либо совпало с ним по времени.
Таким образом, экспериментально установленной закономерностью отражения землетрясений в кривых ОАР для рассмотренных сейсмических событий является их приуроченность к правой части аномалии ОАР после экстремума (при использовании для регистрации способа вынужденной конвекции - адвекции) [34]. В большинстве случаев нисходящая ветвь аномалии аппроксимируется кривой распада радона, что может свидетельствовать о прекращении поступления аномального радона в поро-вое пространство.
Заключение
Выполненные исследования показали, что между аномалиями ОАР и землетрясениями существует причинно-следственная связь. Причем аномалии ОАР для условий Южных Курил вызываются процессом подготовки землетрясений и предшествуют им. Установленный временной интервал между экстремумом аномалии ОАР и временем землетрясения в подавляющем большинстве случаев не превышает 18 суток. Это обстоятельство позволяет отнести аномалии ОАР, предшествующие землетрясениям, к краткосрочным предвестникам тектонических событий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уломов В. И., Мавашев Б. З. О предвестнике сильного тектонического землетрясения // Доклад АН СССР 1967. Т. 176. № 2. С. 319-321.
2. Wakita H., Nakamura Yu., Notsu K., Noguchi M., Asada T. Radon anomaly: a possible precursor of the 1978 Izu-Oshimakinkai earthquake // Science. 1980. Vol. 207. Issue 4433. P. 882-883. http://doi.org/10.1126/science.207.4433.882
3. Lomnitz C. Fundamentals of earthquake prediction. N. Y.: John Wiley & Sons, 1994. 326 p.
4. Fu S., Tatsuoka F. Soil liquefaction during Haicheng and Tangshan earthquake in China: a review // Soils and Foundations. 1984. Vol. 24. Issue
4. P. 11-29. https://doi.org/10.3208/sandf1972.24.4_11
5. Giuliani G. G., Giuliani R., Totani G., Eusani G., Totani F. Radon observations by gamma detectors PM-4 and PM-2 during the seismic period (January-April 2009) in L'Aquila Basin // Abstr. AGU Fall Meeting, December 14-18, 2009. San-Francisco, 2009. Vol. 1. P. 3. URL: http://adsabs. harvard.edu/abs/2009AGUFM.U14A..03G
6. Уткин В. И., Юрков А. К. Динамика выделения радона из массива горных пород как краткосрочный предвестник землетрясения // Докл. РАН. 1998. Т. 358. № 5. С. 675-680.
7. Etiope G., Martinelli G. Migration of carrier and trace gases in the geosphere: an overview // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2002. Vol.129. Issues 3-4. P. 185-204. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00292-8
8. Ghosh D., Deb A., Sengupta R. Anomalous radon emission as precursor of earthquake // Journal of Applied Geophysics. 2009. Vol. 69. Issue 2. P. 67-81. https://doi.org/10.1016/jjappgeo.2009.06.001
9. Thomas D. Geochemical precursors to seismic activity // Pure and Applied Geophysics. 1988. Vol.126. No. 2. P. 241-266.
10. Atkinson B. K. Stress corrosion and the rate-dependent tensile failure of a fine-grained quartz rock // Tectonophysics. 1980. Vol. 65. Issues 3-4. P. 281-290. https://doi.org/10.1016/0040-1951(80)90078-5
11. King C. Y., Slater L. E. A comparison of soil-gas radon and crustal strain data // Earthquake Notes. 1978. No. 49. 44 p.
12. Lay T., Williams Q., Garnero E. J. The core-mantle boundary layer and deep Earth dynamics // Nature. 1998. Vol. 392. P. 461-468. http:// dx.doi.org/10.1038/33083
13. Martinelli G. Fluidodynamical and chemical features of radon 222 related to total gases: implications on earthquakes predictions // IAEA-TECDOC-726. Isotopic and geochemical precursors of earthquakes and volcanic eruptions: Proceedings of an Advisory Group Meeting held in Vienna, 9-12 September, 1991. Vienna, Austria, 1992. P. 48-62.
14. King C. Y. Impulsive radon emanation on a creeping segment of the San Andreas fault, California // Pure and Applied Geophysics. 1984. Vol. 122. Issue 2-4. P. 340-352. https://doi.org/10.1007/BF00874603
15. King C. Y. Radon monitoring for earthquake prediction in China // Earthquake Prediction Research. 1985. Vol. 3. No. 1. P. 47-68.
16. Kuo T., Su C., Chang C., Lin C., Cheng W., Liang H., Lewis C., Chiang C. Application of recurrent radon precursors for forecasting large earthquakes (Mw > 6.0) near Antung, Taiwan // Radiation Measurements. 2010. Vol. 45. Issue 9. P. 1049-1054. https://doi.org/10.1016/j. radmeas.2010.08.009
17. Ramola R. C., Prasad Y., Prasad G., Kumar S., Choubey V. M. Soil-gas radon as seismotectonic indicator in Garhwal Himalaya // Applied Radiation and Isotopes. 2008. Vol. 66. Issue 10. P. 1523-1530. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2008.04.006
18. Reddy D. V., Nagabhushanam P. Groundwater electrical conductivity and soil radon gas monitoring for earthquake precursory studies in Koyna, India // Applied Geochemistry. 2011. Vol. 26. Issue 5. P. 731-737. http://dx.doi.org/10.1016/j.apgeochem.2011.01.031
19. Walia V., Lin S. J., Hong W. L., Fu C. C., Yang T. F., Wen K. L., Chen C.-H. Continuous temporal soil-gas composition variations for earthquake precursory studies along Hsincheng and Hsinhua faults in Taiwan // Radiation Measurements. 2009. Vol. 44. Issues 9-10. P. 934-939. https://doi. org/10.1016/j.radmeas.2009.10.010
20. Zmazek B., Zivcic M., Todorovski L., Dzeroski S., Vaupotic J., Kobal I. Radon in soil gas: how to identify anomalies caused by earthquakes // Applied Geochemistry. 2005. Vol. 20. Issue 6. P. 1106-1119. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2005.01.014
21. Gregoric A., Zmazek B., Vaupotic J. Radon concentration in thermal water as an indicator of seismic activity // Collegium Antropologicum. 2008. Vol. 32. P. 95-98.
22. Heinicke J., Italiano F., Koch U., Martinelli G., Telesca L. Anomalous fluid emission of a deep borehole in a seismically active area of Northern Apennines (Italy) // Applied Geochemistry. 2010. Vol. 25. Issue 4. P. 555-571. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2010.01.012
23. Ramola R. C. Relation between spring water radon anomalies and seismic activity in Garhwal Himalaya // Acta Geophysica. 2010. Vol. 58. No. 5. P. 814-827. https://doi.org/10.2478/s11600-009-0047-0
24. Zmazek B., Todorovski L., Zivcic M., Dzeroski S., Vaupotic J., Kobal I. Radon in a thermal spring: Identification of anomalies related to seismic activity // Applied Radiation and Isotopes. 2006. Vol. 64. Issue 6. P. 725-734. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2005.12.016
25. Albarello D. Short-term earthquake prediction and preparation // DPC-INGV-S3 Project, Final report. 2013. 31 p.
26. Oh Y., Kim G. A radon-thoron isotope pair as a reliable earthquake precursor // Scientific Reports. 2015. No. 5. Article number 13084. https:// doi.org/10.1038/srep13084
27. Omori Y., Yasuoka Y., Nagahama H., Kawada Y., Ishikawa T., Tokonami S., Shinogi M. Anomalous radon emanation linked to preseismic electromagnetic phenomena // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2007. Vol. 7. Issue 5. P. 629-635. https://doi.org/10.5194/nhess-7-629-2007
28. Фирстов П. П., Макаров Е. О. Динамика подпочвенного радона на Камчатке и сильные землетрясения. Петропавловск-Камчатский: КамГУ, 2018. 148 с.
29. Aumento F. Radon in neotectonics and earthquake prediction // Modelapao de sistemas geológicos: livro de homenagem ao Professor Manuel Maria Godinho. Coimbra: Imprensa da Universidade de Coimbra, Laboratório de Radioactividade Natural da Universidade de Coimbra, 2011. P. 13-27. https://doi.org/10.14195/978-989-26-1009-2_1
30. 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 Sept. 1991. Vienna, Austria: IAEA, 1993. P. 6-22.
31. Hatuda Z. Radon content and its change in soil air near the ground surface // Memoirs of the College of Science, University of Kyoto. 1953. Ser. B. Vol. 20. No. 4. P. 285-306.
32. Kasahara K. Migration of crustal deformation // Tectonophysics. 1979. Vol. 52. Issues 1-4. P. 329-341. https://doi.org/10.1016/0040-1951(79)90240-3
33. Teng T. Some recent studies on groundwater radon content as an earthquake precursor // Journal of Geophysical Research. 1980. Vol. 85. Issue B6. P. 3089-3099. https://doi.org/10.1029/JB085iB06p03089
34. Козлова И. А., Юрков А. К. Методические вопросы измерения содержания радона-222 в почвенном воздухе при мониторинговых наблюдениях // Уральский геофизический вестник. 2005. № 1(7). С. 30-34.
35. Добровольский И. П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: ИФЗ РАН, 1991. 217 с.
36. Козлова И. А., Юрков А. К. Отражение последовательных сейсмических событий в поле объемной активности радона // Уральский геофизический вестник. 2016. № 1(27). С. 35-39.
37. Викулин А. В. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ, 2003. 151 с.
Статья поступила в редакцию 27 сентября 2021 года
УДК 552.08 http://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-4-62-70
Relationship between anomalies of radon volume activity and the process of earthquake preparation (through the example of the Southern Kuril Islands)
Sergey Viktorovich BIRYULIN* Irina Anatol'evna KOZLOVA** Anatoliy Konstantinovich YURKOV***
Bulashevich Institute of Geophysics of the Ural Branch of RAS, Ekaterinburg, Russia Abstract
Relevance of the work. Since the 1960s, the studies have noted changes in radon concentration associated with earthquakes and considered prognostic possibilities of such changes. However, there is still no consensus as to whether an earthquake causes a radon anomaly or vice versa - a radon anomaly precedes it. To answer this question, it is necessary to analyze a large amount of experimental data for a long time period of observations in an area with a known geological and tectonic structure. As an experimental basis for such an analysis, the results of radon monitoring performed at the South Kuril geodynamic polygon were taken.
Purpose of the work: search for patterns between the results of long-term radon volume activity (RVA) monitoring and earthquake preparing process that occurred in the period from 2011 to 2018 in the South Kuril region. Research methodology: long-term monitoring data processing and comparison of radon anomalies with earthquakes. Identification of patterns based on the results obtained.
Results. This paper presents the results of the application of various geodynamic criteria - the ratio of magnitude to the logarithm of distance K when comparing the results of the observation of the RVA and the earthquakes that occurred. Conclusions. According to the developed methodology, the comparison of earthquakes that occurred within 500 km from Yuzhno-Kurilsk from 2011 to 2018, which correspond to various geodynamic criteria, was performed. It was revealed that all recorded earthquakes with K > 2,5 were preceded by radon anomalies. For K > 2,2, abnormal changes in the RVA were noted before 88 out of 90 earthquakes (97.7%), for K > 2, abnormal changes in the RVA were noted before 148 out of 166 (89%). To verify the existence of a connection between radon anomalies and earthquakes, random sequence simulations were performed. Random sequences of RVA anomalies and earthquakes were compared with each other and the theoretical probability was calculated. The obtained results were compared with the values obtained by comparing real observations. The calculated theoretical probabilities are much lower than the experimental ones, which confirms the existence of a connection between anomalies and earthquakes. It was established that earthquakes on the curves of the RVA are noted after passing the extremum.
Keywords: Earthquakes, radon anomalies, precursors, Southern Kuril Islands.
REFERENCES
1. Ulomov V. I., Mavashev B. Z. 1967, About precursor of a strong tectonic earthquake. DAN [Doklady Earth Sciences], vol. 176, no. 2, pp. 319-321. (In Russ.)
2. Wakita H., Nakamura Yu., Notsu K., Noguchi M., Asada T. 1980, Radon anomaly: a possible precursor of the 1978 Izu-Oshimakinkai earthquake. Science, vol. 207, issue 4433, pp. 882-883. http://doi.org/10.1126/science.207.4433.882
3. Lomnitz C. 1994, Fundamentals of earthquake prediction. N. Y.: John Wiley & Sons, 326 p.
4. Fu S., Tatsuoka F. 1984, Soil liquefaction during Haicheng and Tangshan earthquake in China: a review. Soils and Foundations, vol. 24, issue
4. pp. 11-29. https://doi.org/10.3208/sandf1972.24.4_11
5. Giuliani G. G., Giuliani R., Totani G., Eusani G., Totani F. 2009, Radon observations by gamma detectors PM-4 and PM-2 during the seismic period (January-April 2009) in L'Aquila Basin. Abstr. AGU Fall Meeting, December 14-18, 2009. San-Francisco, vol. 1, 3 p. URL: http://adsabs. harvard.edu/abs/2009AGUFM.U14A..03G
6. Utkin V. I., Yurkov A. K. 1998, Dynamics of radon release from rock mass as a short-term earthquake precursor. Doklady RAN, vol. 358, no. 5, pp. 675-680. (In Russ.)
7. Etiope G., Martinelli G. 2002, Migration of carrier and trace gases in the geosphere: an overview. Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol.129, issues 3-4, pp. 185-204. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00292-8
8. Ghosh D., Deb A., Sengupta R. 2009, Anomalous radon emission as precursor of earthquake. Journal of Applied Geophysics, vol. 69, issue 2, pp. 67-81. https://doi.org/10.1016/jjappgeo.2009.06.001
9. Thomas D. 1988, Geochemical precursors to seismic activity. Pure and Applied Geophysics, vol.126, no. 2, pp. 241-266.
10. Atkinson B. K. 1980, Stress corrosion and the rate-dependent tensile failure of a fine-grained quartz rock. Tectonophysics, vol. 65, issues 3-4, pp. 281-290. https://doi.org/10.1016/0040-1951(80)90078-5
11. King C. Y., Slater L. E. 1978, A comparison of soil-gas radon and crustal strain data. Earthquake Notes, no. 49, 44 p.
12. Lay T., Williams Q., Garnero E. J. 1998, The core-mantle boundary layer and deep Earth dynamics. Nature, vol. 392, pp. 461-468. http://dx.doi.org/10.1038/33083
Sserrega2009@gmail.com
"igfuroran@mail.ru
'"akyurkov@mail.ru
13. Martinelli G. 1992, Fluidodynamical and chemical features of radon 222 related to total gases: implications on earthquakes predictions. IAEA-TECDOC-726. Isotopic and geochemical precursors of earthquakes and volcanic eruptions: Proceedings of an Advisory Group Meeting held in Vienna, 9-12 September, 1991. Vienna, Austria, pp. 48-62.
14. King C. Y. 1984, Impulsive radon emanation on a creeping segment of the San Andreas fault, California. Pure and Applied Geophysics, vol. 122, issue 2-4, pp. 340-352. https://doi.org/10.1007/BF00874603
15. King C. Y. 1985, Radon monitoring for earthquake prediction in China. Earthquake Prediction Research, vol. 3, no. 1, pp. 47-68.
16. Kuo T., Su C., Chang C., Lin C., Cheng W., Liang H., Lewis C., Chiang C. 2010, Application of recurrent radon precursors for forecasting large earthquakes (Mw > 6.0) near Antung, Taiwan. Radiation Measurements, vol. 45, issue 9, pp. 1049-1054. https://doi.org/10.1016/j. radmeas.2010.08.009 w
17. Ramola R. C., Prasad Y., Prasad G., Kumar S., Choubey V. M. 2008, Soil-gas radon as seismotectonic indicator in Garhwal Himalaya. Applied Radiation and Isotopes, vol. 66, issue 10, pp. 1523-1530. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2008.04.006
18. Reddy D. V., Nagabhushanam P. 2011, Groundwater electrical conductivity and soil radon gas monitoring for earthquake precursory studies in Koyna, India. Applied Geochemistry, vol. 26, issue 5, pp. 731-737. http://dx.doi.org/10.1016/j.apgeochem.2011.01.031
19. Walia V., Lin S. J., Hong W. L., Fu C. C., Yang T. F., Wen K. L., Chen C.-H. 2009, Continuous temporal soil-gas composition variations for earthquake precursory studies along Hsincheng and Hsinhua faults in Taiwan. Radiation Measurements, vol. 44, issues 9-10, pp. 934-939. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.10.010
20. Zmazek B., Zivcic M., Todorovski L., Dzeroski S., Vaupotic J., Kobal I. 2005, Radon in soil gas: how to identify anomalies caused by earthquakes. Applied Geochemistry, vol. 20, issue 6, pp. 1106-1119. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2005.01.014
21. Gregoric A., Zmazek B., Vaupotic J. 2008, Radon concentration in thermal water as an indicator of seismic activity. Collegium Antropologicum, vol. 32, pp. 95-98.
22. Heinicke J., Italiano F., Koch U., Martinelli G., Telesca L. 2010, Anomalous fluid emission of a deep borehole in a seismically active area of Northern Apennines (Italy). Applied Geochemistry, vol. 25, issue 4, pp. 555-571. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2010.01.012
23. Ramola R. C. 2010, Relation between spring water radon anomalies and seismic activity in Garhwal Himalaya. Acta Geophysica, vol. 58, no. 5, pp. 814-827. https://doi.org/10.2478/s11600-009-0047-0
24. Zmazek B., Todorovski L., Zivcic M., Dzeroski S., Vaupotic J., Kobal I. 2006, Radon in a thermal spring: Identification of anomalies related to seismic activity. Applied Radiation and Isotopes, vol. 64, issue 6, pp. 725-734. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2005.12.016
25. Albarello D. 2013, Short-term earthquake prediction and preparation. DPC-INGV-S3 Project, Final report, 31 p.
26. Oh Y., Kim G. 2015, A radon-thoron isotope pair as a reliable earthquake precursor. Scientific Reports, no. 5, article number 13084. https:// doi.org/10.1038/srep13084
27. Omori Y., Yasuoka Y., Nagahama H., Kawada Y., Ishikawa T., Tokonami S., Shinogi M. 2007, Anomalous radon emanation linked to preseismic electromagnetic phenomena. Natural Hazards and Earth System Sciences, vol. 7, issue 5, pp. 629-635. https://doi.org/10.5194/nhess-7-629-2007
28. Firstov P. P., Makarov E. O. 2018, Dynamics of subsurface radon in Kamchatka and strong earthquakes. Petropavlovsk-Kamchatsky, 148 c. (In Russ.)
29. Aumento F. 2011, Radon in neotectonics and earthquake prediction. Modelaçâo de sistemas geológicos: livro de homenagem ao Professor Manuel Maria Godinho. Coimbra: Imprensa da Universidade de Coimbra, Laboratório de Radioactividade Natural da Universidade de Coimbra, pp. 13-27. https://doi.org/10.14195/978-989-26-1009-2_1
30. Dubinchuk V. T. 1993, 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 Sept. 1991. Vienna, Austria: IAEA, pp. 6-22.
31. Hatuda Z. 1953, Radon content and its change in soil air near the ground surface. Memoirs of the College of Science, University of Kyoto. Ser. B., vol. 20, no. 4, pp. 285-306.
32. Kasahara K. 1979, Migration of crustal deformation. Tectonophysics, vol. 52, issues 1-4, pp. 329-341. https://doi.org/10.1016/0040-1951(79)90240-3
33. Teng T. 1980, Some recent studies on groundwater radon content as an earthquake precursor. Journal of Geophysical Research, vol. 85, issue B6, pp. 3089-3099. https://doi.org/10.1029/JB085iB06p03089
34. Kozlova I. A., Yurkov A. K. 2005, The methodic problems of concentration of radon-222 measuring in soil air during monitoring organization. Ural'skiy geofizicheskiy vestnik [Ural Geophysical Bulletin], no. 1(7), pp. 30-34. (In Russ.)
35. Dobrovol'skiy I. P. 1991, Theory of tectonic earthquake preparation. Moscow, 217 p. (In Russ.)
36. Kozlova I. A., Yurkov A. K. 2016, Reflection consecutive seismic events in the field of radon volume activity. Ural'skiy geofizicheskiy vestnik [Ural Geophysical Bulletin], no. 1(27), pp. 35-39. (In Russ.)
37. Vikulin A. V. 2003, Physics of wave seismic process. Petropavlovsk-Kamchatsky, 151 p. (In Russ.)
The article was received on September 27, 2021
