Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса и цель работы 7
2. Регион исследования, природно-климатические условия и используемые методы 14
2.1. Регион исследования, природно-климатические условия 14
2.2. Методические аспекты исследований 20
3. Результаты исследований и их обсуждение 31
3.1. Результаты мониторинга и их обсуждение 31
3.1.1. Вред выбросов радона и повышение гамма-фона перед землетрясениями. Прогноз горных ударов 31
3.1.2. Экобезопасность сооружений типа трубопроводов и АЭС 48
3.1.3. Сохранность рекреационных зон побережья 55
3.2. Площадные измерения радона и их применение для решения экологических задач 62
3.2.1. Измерения радона в почве 62
3.2.2. Радон в почвенном воздухе на территории грязевых вулканов 78
3.2.3. Радон в жилых помещениях 84
3.2.4. Комплексное изучение техногенных загрязнений на некоторых объектах Краснодарского края 98
Выводы 112
Список использованных источников 113
- Регион исследования, природно-климатические условия
- Методические аспекты исследований
- Вред выбросов радона и повышение гамма-фона перед землетрясениями. Прогноз горных ударов
- Измерения радона в почве
Регион исследования, природно-климатические условия
Краснодарский край является уникальной территорией Российской Федерации, где сосредоточены чуть ли не единственные в своём роде кубанские чернозёмы, оздоровительные пляжи Чёрного моря, разнообразные природные зоны и комплекс полезных ископаемых, способных полностью обеспечить потребности региона по многим направлениям (Ляшенко, 1996; Несмеянов, 1997). Образован край 13 сентября 1937 года. Территория - 76 тыс. кв. км. и составляет 0,45% от площади России. На 1998 год население края составляло 5074,8 тыс. человек или 3,37% всего населения страны, из них 52% горожан. Плотность населения в крае 66 человек на 1 км2. Край расположен в западной части Большого Кавказа (высоты до 3663 м) и на Кубано-Приазовской (Прикубанской) низменности (до 150 м). Климат от умеренного континентального до субтропического, со средними температурами: в январе от - 8 С в горах (высота 2000 м) и -4 С на равнине до + 5 С на побережье Азовского и Чёрного морей; в июле - от + 13 С в горах до +23 С на равнине и побережье. Осадков выпадает от 400 до 3200 мм в год. Все реки принадлежат бассейнам Азовского и Чёрного морей. Главная из них - Кубань. Много карстовых озёр. На Азовском побережье присутствуют лиманы. Почвы на равнине чернозёмные, в горах горно-лесные и горно-луговые. В высокогорье присутствуют субальпийские и альпийские луга. Равнинная степь края окультурена; леса широколиственные (бук, дуб) и горные тёмнохвойные (ель, пихта).
Минерально-сырьевая база края представлена углеводородным сырьём, цветными металлами, нерудными полезными ископаемыми, подземными водами, включая пресные, минеральные, промышленные и термальные, лечебными грязями, благородными металлами, поделочными и цветными камнями, энергетическим сырьём. За последние десять лет на территории Кубани разведаны крупнейшие в России месторождения йодобромных вод, пресных и минеральных вод, соли, формовочных песков.
Геологически регион относится к сложному горному сооружению, образованному орогенами различного типа, надстраивающих друг друга по простиранию: Северо-Западный Кавказ, Центрально-Кавказский блок (геоморфологически включает в себя Западный и Центральный Кавказ), Восточный Кавказ. Разделяются эти образования субмеридиальными протяжёнными транзитными зонами. На западе - Ладожско-Гагринской поперечной зоной (объединяет наращивающие к северу друг друга по простиранию Пшехско-Адлерскую поперечную зону, Гиагинский и Ладожский разломы), развивающейся по крайней мере с раннего мела. Южное продолжение данной поперечной зоны через Гагринский разлом трассируется в пределы Черноморской впадины. Необходимо отметить развитие на Северо-Западном Кавказе вдоль побережья Чёрного моря субкавказских падающих в северном направлении взбросов и надвигов, оперяющих аркогенный надвиг флишевых толщ Новороссийско-Лазаревского синклинория на массив Грузинской глыбы. Упомянутая зона взбросов, протягивающаяся вдоль всего Кавказа, активна и в настоящее время. Столь же активна и ступенчато построенная зона сближенных сбросов, отделяющая Черноморскую впадину от сводового сооружения Северо-Западного Кавказа. Вдоль неё отмечается активная сейсмичность. В 1993 году официально было признано, что Западный Кавказ является в сейсмо-тектоническом отношении активной зоной и согласно "Временной схеме сейсмического районирования Северного Кавказа" на большей территории края возможны 7-9-балльные землетрясения.
На территории Краснодарского края, в частности, на Таманском (и частично на прилегающей к нему территории) полуострове наблюдается такое явление, как грязевой вулканизм. Здесь встречаются все известные формы грязевулканических проявлений - континентальные и морские, погребенные и открытые, потухшие и активные. Их общее число достигает 44. Грязевые вулканы приурочены к локальным диапировым и криптодиапировым складкам, развитым в пределах узких валообразных антиклиналей, преимущественно северо-восточного простирания. Преобладающая часть грязевулканических проявлений связана генетически с нефтегазоносными структурами. Возникновение основных структур Таманского полуострова следует относить, вероятно, к верхнему миоцену. Основными факторами, обусловившими грязевулканические проявления на Таманском полуострове, являются: наличие в разрезе мощных пластичных глинистых пород майкопской серии, служащих исходным материалом для образования сопочной брекчии; присутствие пластовых вод, размягчающих глинистые породы, из которых образуется сопочная брекчия; наличие мощных источников углеводородных газов, накопление которых в предельных очагах приводит к образованию аномальных пластовых давлений, создающих активную движущую силу; наличие тектонических нарушений, создающих благоприятные условия для выдавливания и выбросов сопочного материала с больших глубин на дневную поверхность. По характеру проявлений выделены три группы сопочных вод: подземные воды действующих вулканов (грифоны), поверхностные воды озёр древних кратеров вулканов с возможной слабой подпиткой подземными водами, подземные водные источники. Воды первой группы по химическому составу относятся исключительно к хлоридному натриевому типу с минерализацией 10,2 - 27,7 г/л. Характерная особенность - низкое содержание в них сульфатов. Воды второй группы приурочены, как правило, к древним кратерам вулканов, где скапливаются поверхностные водотоки. Они представляют собой озёра, иногда значительных размеров. Не исключена скрытая подпитка поверхностных вод озера древних кратеров подземными водами через тектонические нарушения. По химическому составу эти воды весьма разнообразны: карбонатные натриевые, сульфатные магниево-натриевые, сульфатно-хлоридные натриевые, хлоридно-сульфатно-карбонатные натриевые. Минерализация вод изменяется от 1,2 до 8,8 г/л. Наконец, природные источники принадлежат к карбонатному, сульфатному и смешанному классам. По преобладающему катиону встречены натриевые, кальциевые и магниевые воды. Воды минерализованы в пределах 0,4 - 11,8 г/л. По сравнению с водами действующих вулканов содержание сульфатов в этой группе вод повышено (1,3 - 46,7 мг-экв/л).
Методические аспекты исследований
В основу статистической обработки результатов регистрации радиоактивности положен тот факт, что статистика распределения числа отсчетов N, зарегистрированных детектором радиоактивного излучения, подчиняется распределению Пуассона (Watt, Ramaden, 1964; Adams, 1970; Гольданский и др., 1959; Яноши, 1965; Худсон, 1967; Калашников, Козодаев, 1966; Коробковб Лукьянов, 1973; Купцов, 1975): P(N,t)=(NCPt)N/N!e-Ncpt, P(N,t)- вероятность регистрации N событий, NCp- среднее количество отсчетов, t- время измерения.
На основании результатов статистической обработки можно сделать вывод, что экспериментальные данные, полученные с помощью низкофонового гамма- спектрометра, распределены в согласии с законом Пуассона (даже, если сделан только один отсчет) (Альтерман, Степанов, 1978; Коган и др, 1991). Для закона Пуассона математическое ожидание:
M(N)=D(N)=N и G=VD=VN ,где D(N)- дисперсия N, а- статистическая погрешность N. В математической статистике доказывается, что каково бы ни было распределение случайной величины (если они некоррелированы), то при достаточно большом объеме выборки ( 30) средние значения подчиняются нормальному закону распределения и вероятность того, что среднее значение будет находиться в интервале (- т,а) равна 0,683. Доверительному интервалу ±2а соответствует надежность 0,954, а доверительному интервалу ±3а- 0,997 (Кузьмичев и др., 1983; Вентцель, 1969).
Предполагая, что суточная волна является основным процессом и статистика такова, что все данные попадают в интервал G1±2VG1, мы получили некоторую модель реального процесса. Моделированный таким образом процесс сравнивался с реальным.
Большинство показаний низкофонового гамма- спектрометра при измерении фона N(I,J) помещается в интервал Gj±2a, а остальные являются предвестниками региональных сейсмособытий за 9±1 сутки. Учитывая, что все экспериментальные данные в окне излучения 214Bi (U-screen) укладываются в диапазон 2и относительно I гармоники Фурье-разложения этих данных (т.е. суточная волна имеет квазисинусоидальный характер), для нахождения аномалий, служащих предвестником землетрясений, рассматривались всплески большие 2а. На рисунке 11 в качестве примера показаны всплески у-фона в защите с 16.03.2000г. по 29.03.2000г., рядом указаны местные (удаление до 200км и класс К 7) и сильные, но далекие (удаление до 3000 км и магнитуда М 4) землетрясения. Видно, что всплески происходят за 9±1 сутки до землетрясения.
Непосредственное измерение радона, основанное на измерении альфа- активности, показывает, что радон ведет себя более сложно и подвижно, т. к. не только предвещает различные динамические процессы, но и порой реагирует на момент события (рис. 12), как газ при деформациях. К тому же, если проанализировать поведения радона аналогично большинству авторов подобных предвестников, то можно проследить здесь целый ряд предвестников (как долгосрочных, так и краткосрочных), работающих с разной достоверностью. Подобная работа требует еще длительного анализа. Что касается применения описанной выше методики, то она срабатывает и здесь. На рисунке 13 показаны 100 90 80 70 60 Примеры всплесков радона и гамма- фона в разных штольнях. примеры всплесков в разных детекторах в разных штольнях. В таблице 1 в качестве примера приведены сейсмоданные сейсмостанции в Анапе за период с апреля по июнь 2000 год (было 24 события класса К 7 на расстоянии до 200 км и с магнитудой М 4,5 на расстоянии от 200 км до 3000 км) и их прогноз за 9+1 сутки до землетрясения. В ней также указаны прогностические всплески в гамма- спектрометре в штольне Новороссийска (N_U-sc) и в радоновых датчиках французского производства в штольне Новороссийска (N_Rn) и Абрау-Дюрсо (A_Rn). Из таблицы следует, что: за время работы гамма- спектрометра произошло 20 сейсмособытий, просчетов(несколько событий в один день) было 1, имело предвестник 15, не имело 4; за время работы радонового датчика в Новороссийске было 19 сейсмособытий, просчетов 1, имеет предвестник 10, не имеет 8; В Абрау-Дюрсо за время работы было 24 сейсмособытия, просчетов 2, имело предвестник 20, не имело 2. Рассматривая достоверность прогноза, как отношение числа прогнозов к общему числу событий, получим, что достоверность прогноза гамма-спектрометром 79%, радонового датчика в Новороссийске 56%, радонового датчика в Абрау-Дюрсо 99% за рассматриваемый период.
Однако предположение о квазисинусоидальном характере суточной волны требует еще своих исследований. С этой целью разработаны новые радоновые датчики на основе сернистого цинка с большей рабочей поверхностью, увеличивающие статистику набора. В настоящее время идет набор информации.
В дальнейшей работе с предвестником планируется определить связь величины пика и величины последующего землетрясения, а также расстояния от установки не только качественно (это явно прослеживается), но и количественно; научиться работать с сетью таких установок; глубже понять механизм предвестника. Для этого необходимо увеличить количество данных, добавить др. методы исследования подземной среды, испробовать различные методы обработки, иметь надежные сейсмоданные
Как и гамма- спектрометр, так и радоновые датчики разных конструкций показывают наличие в ряде данных аномальных повышений активности (рисунки 14, 15), которые не могут не влиять на здоровье людей, работающих под землей, поэтому подобный мониторинг должен проводиться на подземных объектах.
На рисунке 16 показано изменение показаний трековых детекторов, расположенных вдоль штольни Сахалинского ртутного месторождения до схлопывания штольни.
Все это подтверждает, что подобные методы могут прогнозировать опасные геологические (горные удары, землетрясения и т. п.) явления и служить индикатором выбросов излучения для экологической безопасности сотрудников подземных объектов.
Подобный метод наблюдения напряженно-деформированного состояния горных пород в подземных условиях удобен для оценки экологической безопасности таких объектов, как нефтепроводы, магистрали, тоннели, сохранность которых напрямую зависит от тектонических процессов.
Вред выбросов радона и повышение гамма-фона перед землетрясениями. Прогноз горных ударов
С экологической точки зрения вулканическая деятельность приводит как к изменению ландшафта, так и к изменению атмосферного воздуха, что очень важно с экологической точки зрения. Длительное нахождение вблизи вулкана может быть не столь безопасным, даже в относительно спокойные периоды.
Давно известно, что вулканические эманации обогащены такими элементами, как С, CI, S (всегда с водой), которые считаются избыточными летучими и входят в состав атмосферы. Это наблюдение подтверждает тот факт, что атмосфера была образована за счет летучих эманации из твердой Земли. Наряду с главными типами в эманациях присутствуют, вероятно, и благородные газы, но такие данные относительно немногочисленны.
Давно замечена связь изменения содержания радона в термальных источниках с сейсмическими явлениями и вулканической деятельностью (Чирков, 1971; Уломов и др., 1967; Chirkov, 1975; Чирков, Фирсов, 1978; Хренов и др., 1982). Механизм влияния вулканического процесса на концентрацию радона в гидротермальных источниках и почвенном воздухе пока не ясен. Предполагается, что перед извержениями в зонах очагов возрастает давление. В окружающих горных породах происходит образование многочисленных трещин. После начала извержения упругие напряжения в очаге и окружающем его пространстве в значительной мере снимаются, и быстро восстанавливается прежний режим поступления радона в воду и почву. Эту зависимость пытаются использовать в целях прогноза. Регистрация радона в термальных водах и почвенном газе представлена работами (Флеров и др., 1983; Seidel, Monnin, 1981). На Камчатке на Карымском вулкане была проделана работа по изучению изменений концентраций радона в связи с вулканической деятельностью. (Флеров и др., 1985) Использовались диэлектрические детекторы. Наблюдения охватывали период затухания извержения Карымского вулкана, которое началось в 1978 году, и переход к стадии покоя. Изменения содержания радона в термальном источнике и почвенном воздухе выявили тесную связь выхода радона с состоянием вулкана. Отклонения от закономерности объяснялись влиянием недалеких землетрясений.
На территории Краснодарского края находится район с наибольшим развитием грязевого вулканизма в России - это Таманский полуостров и его сопредельные районы. Общее число вулканов Тамани достигает 44. Изучению грязевых вулканов посвящены работы (Благоволин, 1962; Шнюков и др., 1986; Зайцев, 1965; Шарданов и др., 1962). Основные факторы, обусловившие грязевулканические проявления на Таманском полуострове: наличие мощных толщ майкопских глин, присутствие пластовых вод, наличие мощных источников углеводородных газов, наличие тектонических нарушений. Вопрос о корнях вулканов в настоящее время остается дискусионным. Реальность угрозы для населения при активизации грязевых вулканов Тамани очевидна. Прогнозная оценка отрицательного влияния грязевулканической деятельности на человека и возведенные им строения рассмотрена в работе (Левченко и др., 1996). Вопрос о постановке работ, связанных с прогнозом грязевулканической деятельности, предупреждением населения об активизации эндогенных геологических процессов и возникновения чрезвычайных ситуаций и катастроф в последние годы становится весьма актуальным (Шереметьев и др., 1996).
Именно поэтому исследования вариаций содержания радона в почве вулкана с течением времени и результаты картирования вулканов представляют большой интерес для края. Использовались как твердотельные пленочные детекторы, так и автоматические на основе серистого цинка и полупроводниковые. Проводились одновременно измерения и других параметров, например, температуры, химического состава сопочных вод, их дебита. Исследования проводились на вулканах Шапсугский, Шуго, Миска, Гладковский (Popova, Nevinsky, Tsvetkova, 2000). На рисунках 30,31 в качестве примера показаны распределение содержания радона на вулканах Шапсугский, Шуго. Из рисунков видно, что центры визуальной активности грязевого вулкана (обозначены кружками) совпадают с минимумами концентрации радона (идет разгрузка). Для понимания не являются ли максимумы точками последующих активизаций требуется длительное повторение съемок.
На рисунке 32 показаны вариации радона вне вулкана Шуго и на его центральной сопке. Отмечается динамическая активность содержания радона в почве вблизи сопки, что может служить индикатором геологической активности.
Кроме того для контроля изменений химического состава в недрах в зависимости от нефтедобычи, нами отбираются пробы с грязевых вулканов, находящихся на территории нефтяных разработок. Определяются различные элементы и химические соединения. На рисунке 33 в качестве примера показано суточное изменение некоторых элементов в выделении грязевого вулкана "Шапсугский". Из рисунка видно, что содержание элементов в течение суток меняется, но для выявления надежных суточных вариаций требуется длительный мониторинг.
Измерения радона в почве
Впервые получены данные по вариациям ряда элементов окружающей среды района Краснодарского ртутного рудника в мелкомасштабном временном разрезе. Вариации содержания ртути в реках М.Зыбза, речки Сахалинского месторождения и Зыбзе ниже по течению завода показывают высокое содержание металла в вернем течении, на наш взгляд, связанное с вымыванием ртутных соединений гидросистемой из природного резервуара. ПДК для ртути в водоёмах рыбо-хозяйственного назначения, к которым относятся указанные выше реки составляет 0,1мкг\л, что существенно ниже полученных значений для рек М.Хабль и речка карьера. В Зыбзе содержание соизмеримо с ПДК ртути для воды водоёмов водохозяйственного бытового пользования, к которым относятся колодцы, составляет 0,5 мкг\л. В колодцах с. Холмская существенное превышение этого значения. Здесь отмечалась подсыпка территории огарками. На наш взгляд, существенно поступление ртути в гидросистему в результате разрушения огарков, используемых при строительстве дорог. В 80-х годах имело место бесконтрольное высыпание на просёлочные дороги с целью их укрепления огарков. Необходимо в этих местах провести анализ содержания ртути в расположенных здесь колодцах.
Поступление ртути в гидросистему в районе Сахалинского месторождения зависит и от сейсмичности региона, контролировать которую можно по активности почвенного радона в штольне. Радоновые аномалии выявлены не были, то же самое относится к гамма-фону на территории завода. ПДК свинца в почве составляет 32 мг\л. Полученные значения существенно ниже.
К проблеме мониторинга радона примыкает и такая глобальная экологическая проблема, как озоновые аномалии. На карте распределения центров отрицательных озоновых аномалий (рис.41) , проявившихся над Россией и сопредельными территориями в период с ноября 1991г. по май 2000г. (Сывороткин, 1996), нашел свое отчетливое выражение ряд тектонических структур, большинство из которых являются меридиональными разломными зонами: Урало-Каспийская, Обско-Памирская, Анабаро-Байкальская, Индигиро-Сахалинская. Кроме того, в пределах Восточно-Европейской платформы проявились Беломоро-Балтийская и Воронежская зоны. Карта построена по оперативным данным Росгидромета (г.Долгопрудный) и, по - существу, на ней
Центры озоновых аномалий образовавшихся над Россией и сопредельными территориями в период с 1991 по 2000г. Карта составлена по оперативным данным центральной аэрологической обсерватории (г.Долгопрудный). 1- месяц и год появления аномалии. изображены области минимальной концентрации озона. Таким образом, содержание малой газовой компоненты, максимум которой приходится на высоты 20-25км, представляет собой отражение тектонического строения территории.
Все вышеперечисленные структуры являются зонами активной дегазации и отчетливо проявляются в поле гелия, что установлено методами гелиевой съемки различного масштаба, выполненной в основном сотрудниками ВИМСа. Кроме того, многочисленные данные указывают на интенсивную водородную дегазацию указанных структур, что является прямым подтверждением водородной гипотезы разрушения озонового слоя.
Примечательной особенностью характера распределения центров озоновых аномалий является их отсутствие над территорией Крымско-Кавказского сегмента Альпийской складчатой области. Это обстоятельство чрезвычайно важно с экологической точки зрения, т.к. именно для этих районов характерен избыток биологически активного ультрафиолета.
В рамках водородной гипотезы отсутствие озоновых аномалий над Крымом и Кавказом может быть объяснено только отсутствием интенсивной водородной дегазации в этих регионах. Действительно, при проведении водородной съёмки некоторых гелинирующих разломов Западного Кавказа был получен отрицательный результат (отсутствие водородных аномалий). При картировании многих разломных структур на территории Краснодарского края также не были выявлены аномалии над водородным фоном.
Такое различие в поведении водорода и гелия в разных регионах, может отражать степень геодинамического сжатия тектонических структур (Сывороткин, 1996). В недрах Кавказа, испытывающих сжатие, химически активный водород сгорает, а инертный гелий выходит на поверхность, образуя аномалии над разломными структурами. Сгорание водорода в сжатых структурах происходит из-за большей степени и времени взаимодействия с каталитически активными поверхностями пород и минералов, которые могут к тому же периодически обновляться в результате тектонических подвижек. Возможно, подтверждением предположения о сгорании водорода в недрах Кавказа является эффект квазипериодичных, а также более сильных апериодичных скачков подземной температуры, обнаруженных в наблюдательных пунктах Научного центра естественной радиоактивности "Гея" при долгосрочном мониторинге. В частности в подземном пункте (глубина 50 м) в Новороссийске, где осуществляется наблюдение за вариациями гамма-фона в разных энергетических диапазонах , почвенного радона, водорода, космических лучей и температуры в почве и в воздухе штольни (информация записывается каждые 5 минут) наблюдались несколько раз в году "всплески" почвенной температуры до 5 градусов в течение десятков минут. На рис.42 показан пример такого "всплеска" вместе с данными содержания радона в почве штольни и гамма-излучения в интервале 3.5-5.0 МэВ в низкофоновой камере. Анализ последовательности возрастания активности разных параметров на примере Новороссийского пункта показывает возможную цепь: подъём активности космического излучения - часовой всплеск гамма-излучения в низкофоновой камере под землей -температурный всплеск - возрастание активности радона.
После температурных всплесков происходит сильное землетрясение. Часовой "всплеск" гамма-активности в интервале 1.5-2.0 МэВ наблюдается за примерно 9 суток до регионального землетрясения. Природа низкоэнергетичного космического излучения, регистрируемого нашей установкой, требует детального изучения, так как это могут быть как частицы, задевающие край кристалла, так и действительно частицы низких энергий, которые практически не изучены. В любом случае поток их связан с деятельностью космоса. Поэтому необходимо искать космические процессы, с которыми могут быть связаны тектонические явления.
Комплексное изучение водорода и инертных газов (например, гелий, радон) в сочетании с температурным мониторингом, даёт, таким образом, важную информацию о геодинамических процессах в разломных зонах.
В работе (Гиргждис и др., 1988) радон предлагается использовать в качестве трассера для индикации интенсивности вертикального перемешивания воздуха. Ожидается значительная корреляционная связь между концентрациями 03 и Rn. Рассчитанный коэффициент корреляции равен -0,837. Явный суточный ход обеих примесей качественно можно объяснить особенностями вертикального перемешивания воздуха. Днем при хорошо развитом вертикальном
