Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ влияния атмосферных факторов на измеряемые характеристики поля радона 11
1.1. Влияние временных вариаций атмосферной температуры 12
1.1.1. Состояние исследований 12
1.1.2. Динамическая физико-геологическая модель переноса радона в зоне дробления пород под влиянием переменной температуры 17
1.2. Влияние временных вариаций атмосферного давления 23
1.2.1. Обзор литературных данных 23
1.2.2. Моделирование влияния атмосферного давления 26
1.3. Влияние атмосферных осадков 28
1.3.1. Состояние исследований 28
1.3.2. Моделирование влияния атмосферных осадков 38
1.4. Способ введения поправок за влияние переменных величин атмосферных температуры и давления на плотность потока радона с земной поверхности 43
Глава 2. Анализ влияния радиологических и физико-механических свойств пород на измеряемые характеристики поля радона 52
2.1. Влияние радиологических свойств пород 52
2.1.1. Влияние удельной активности радия-226 52
2.1.2. Оценка влияния глинистости пород 58
2.2. Влияние физико-механических свойств пород 75
2.2.1. Оценка влияния газопроницаемости пород 76
2.2.2. Влияние переменных влажности и температуры на величину объемной активности радона 83
Глава 3. Анализ влияния структурных факторов на измеряемые характеристики поля радона 90
3.1. Влияние зон дробления пород (разломов) на измеряемую величину объемной активности подпочвенного радона 90
3.1.1. Фактические данные 90
3.1.2. Геомеханическая модель радоновыделения породами зоны дробления 92
3.2. Влияние карбонатного карста на измеряемую объемную активность подпочвенного радона 95
3.2.1. Физико-геологическая модель радоновыделения карбонатного карста 96
3.2.2. Технология измерений и обработки данных 97
3.2.3. Результаты работы 106
Выводы 119
Глава 4. Анализ влияния геодинамических факторов на измеряемую во времени и пространстве объемную активность подпочвенного радона 120
4.1. Влияние ротационных сил и землетрясений на радоновыделение в геодинамических зонах 120
4.1.1. Влияние ротационных сил, возникающих вследствие вращения Земли 120
4.1.2. Геодинамическая модель радоновыделения активной зоны дробления 124
4.1.3. Влияние подготовки сильных землятрясений 129
4.2. Влияние оползневых тел и процессов 133
4.2.1. Обзор состояния исследований 133
4.2.2. Статическая модель радоновыделения оползневого склона 149
Глава 5. Оценка различий измеряемых характеристик радонового поля за счет аппаратурно-методических погрешностей 161
Заключение 174
Список литературы: 176
- Динамическая физико-геологическая модель переноса радона в зоне дробления пород под влиянием переменной температуры
- Влияние переменных влажности и температуры на величину объемной активности радона
- Влияние карбонатного карста на измеряемую объемную активность подпочвенного радона
- Статическая модель радоновыделения оползневого склона
Введение к работе
Актуальность работы. Изучение поля радона в прикладных целях было начато еще в 1945 г., когда эманационную съемку применили для поиска и разведки месторождений радиоактивных руд. Впоследствии параметры поля радона измерялись применительно к решению задач трех основных направлений. В геологоразведке радоновая съемка применялась не только для поисков и разведки месторождений урановых руд, твердых полезных ископаемых, и месторождений нефти и газа, но и для геологического картирования в основном разрывной тектоники, различных зон дробления пород. В этот период были решены основные теоретические вопросы переноса радона в горных породах и разработаны технологии измерения характеристик поля радона (В. И. Баранов, А. С. Сердюкова, Ю. Т. Капитанов, Ю. П. Булашвич, И. М. Хайкович, Г. Ф. Новиков и др.).
Второе направление использования особенностей поля радона — предсказание геодинамических процессов (землетрясений, горных ударов, оползней). Это направление является наиболее сложным и, несмотря на весьма скромные успехи, продолжает развиваться (Chi-Yu King, В. М. Бондаренко, В. П. Рудаков, В. И. Уткин, Н. В. Демин и др.).
Неудачи, преследующие радоновый прогноз геодинамических явлений, связан прежде всего с высокой чувствительностью геогазового поля ко всем видам деформации горного массива, что зачастую не позволяет надежно выделить сигнал от прогнозируемого события.
Третье направление изучения поля радона связано с радиоэкологией, конкретнее с оценкой радоноопасности территорий под строительство жилых и служебных помещений, а также самих помещений (И. М. Хайкович, Л. А. Гулабянц, В. С. Рогалис, П. В. Бердников, П. С. Микляев, Е. Н. Камнев и др.). Так, в начале 1990-х годов было проведено районирование территории России по степени радоноопасности. В 1994 г. была принята Федеральная Целевая Программа «Радон», предусматривающая в течение двух лет проведение
радиационно-гигиенического исследования населения и персонала, выполнить оконтуривание радоноопасных площадей, а также создание нормативно-методической базы. Но большинство мероприятий, намеченных Программой, не были выполнены вследствие недостаточного финансирования.
Несмотря на обилие публикаций по вопросам использования поля радона для достижения указанных выше целей, зачастую результаты исследований являются неудовлетворительными. Это прежде всего связано с недостаточным умением отделить полезный сигнал от помехи. Например, для прогноза момента землетрясения необходимо исключить влияние деформаций горных пород, обусловленных неравномерностью угловой скорости вращения Земли, изменением напора подземных вод и других. Наоборот, при оценке радоноопасности территории следует учитывать все возможные факторы (атмосферные, геологические, геодинамические), которые могут привести к максимальному увеличению параметров поля радона.
В предлагаемой работе сделана попытка оценить влияние различных природных факторов на распределение поля радона с тем, чтобы получать наиболее «чистые» аномалии при решении тех или иных задач геологоразведки, геодинамики или радиоэкологии.
Цель работы - выполнить анализ и провести оценки влияния природных факторов и процессов на измеряемые характеристики поля радона (объемную активность и плотность потока радона с земной поверхности) и на этой основе создать статические и динамические физико-геологические модели радоновыделения, учитывающие влияние переменных атмосферных факторов, пространственных вариаций радиологических и физико-механических свойств пород, геодинамики горных пород.
Задачи исследований. Поставленная цель была достигнута в результате решения следующих основных задач:
1. Обобщение и анализ опубликованных данных по влиянию природных факторов на измеряемые характеристики поля радона.
Обработка фактических данных для создания способа учета влияния атмосферных температуры и давления на измеряемую величину плотности потока радона с земной повехности.
Оценка и предложение способа учета влияния переменных радиологических и физических свойств пород на измеряемые характеристики поля радона.
Создание динамической физико-геологической модели зоны дробления пород для понимания ее индикаторных свойств геодинамических процессов, которые возникают в результате лунно-солнечных приливов, изменения угловой скорости вращения Земли, землетрясений.
Создание геодинамических и статических моделей (временных вариаций атмосферных температуры и давления, карста, оползневого склона) для интерпретации данных радоновых и оценки радоноопасности территорий.
Оценка влияния технологических факторов на измеряемые характеристики поля радона.
Научная новизна. 1. Созданы динамических физико-геологические модели радоновыделения под влиянием переменных атмосферных температуры и давления разработана технология учета влияния временных вариаций указанных атмосферных параметров на величину плотности потока радона с земной поверхности, которая обеспечивает возможность прогноза максимальных величин этого параметра радонового поля для оценки радоноопасности территорий.
Выполнен анализ влияния переменных радиологических и физических свойств пород на измеряемые характеристики поля радона и на этой основе предложен способ учета этого влияния.
Предложены и реализованы технологии выделения динамической составляющей радонового поля, оценки надежности работы измеряющей объемную активность радона аппаратуры и влияния глинистости пород на
основе синхронных измерений объемной активности подпочвенного радона, удельных активностей радия-226.
Впервые на основе изменения литостатического давления под воздействием глобальных напряжений в земной коре (изменение угловой скорости вращения Земли, подготовка землетрясении) создана динамическая физико-геологическая модель зоны дробления пород, объясняющая характер временных вариаций объемной активности подпочвенного радона, возникающих под влиянием масштабных геодинамических явлений.
Создана статическая физико-геологическая модель радоновыделения оползневого массива на основе отражения в измеряемой величине объемной активности подпочвенного радона зон сжатия и растяжения пород в виде чередования экстремумов этой величины, что позволяет надежно выделять отдельные оползневые тела по данным радоновый съемки.
Личный вклад автора. 1. Проведены обобщение и анализ литературных и фактических данных по влиянию природных факторов на измеряемые характеристики поля радона.
Созданы динамические физико-геологические модели радоновыделения под воздействием вариаций атмосферных температуры и давления, а также геодинамическая модель радоновыделения зоны дробления пород.
Установлены корреляционные зависимости между плотностью потока радона с земной поверхности и временными вариациями атмосферных температуры и давления реализованные в виде палетки, а также между объемной активностью подпочвенного радона и радиологическими и физическими свойствами горных пород.
Созданные статические физико-геологические модели радоновыделения карбонатного карста и оползневого склона, находящих отражение в экстремумах измеряемой объемной активности подпочвенного радона.
Практическая ценность работы. 1. Разработан способ учета влияния временных вариаций атмосферных температуры и давления на измеряемую величину плотности потока радона с земной поверхности.
Построенная геодинамическая физико-геологическая модель радоновыделения зоны дробления помогает картировать такие зоны радоновой съемкой и правильно использовать их индикаторные свойства для прогноза появления источников деформаций в земной коре по результатам мониторинга объемной активности подпочвенного радона.
Созданная статическая физико-геологическая модель оползневого склона позволяет выделять отдельные оползневые тела по результатам радоновый съемки.
Предложен и реализован способ сопоставления работоспособности радиометров разных типов для измерения объемной активности подпочвенного радона на основе измерения а-активности одной и той же пробы геогаза, отобранной из одного и того же шпура и в одно и то же время.
Защищаемые научные положения. 1. Разработанные динамические физико-геологические модели радоновыделения, обусловленные временными вариациями атмосферных температуры и давлении, и выполненный корреляционный анализ фактических данных по синхронным и совмещенным в пространстве измерениям объёмной активности и плотности потока радона с земной поверхности, атмосферных температуры и давления, радиологических и физико-механических свойств пород явились основой предложенных и реализованных способов учета влияния указанных природных факторов на прогноз максимальных величин плотности потока радона с земной поверхности для оценки радоноопасности территорий и определения динамической составляющей объемной активности подпочвенного радона.
1. Созданная геодинамическая физико-геологическая модель радоновыделения зоны дробления пород на основе изменения литостатического давления под воздействием глобальных напряжений в земной коре,
возникающих за счет временных вариаций угловой скорости вращения Земли, лунно-солнечных приливов, подготовки землетрясений, позволяет понять и правильно использовать ее индикаторные свойства для прогноза масштабных геодинамических явлений по данным мониторинга объемной активности подпочвенного радона.
2. Предложены и реализованы статические модели радоновыделения карбонатного карста оползневого склона; первая - на основе структурно-литологических особенностей известнякого карста, отмечаемых глубокими минимумами объемной активности подпочвенного радона, создаваемыми «запирающим» слоем из карбонатной муки и дресвы; вторая - на основе распределения напряжений в виде чередования зон сжатия и растяжения пород, отмечаемых экстремумами объемной активности подпочвенного радона; созданные статические модели дают возможность правильно интерпретировать данные радоновых съемок и выделять отдельные карстовые образования и оползневые тела.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на VII и VIII Международный конференциях «Новые идеи в науках о Земле» (2005 г., 2007 г., Москва).
Публикации. Результаты работ отражены в одной научной статье и 2-х тезисах докладов, представленных на научных конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 184 страницы машинописного текста, 53 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 109 наименований.
Работа выполнена на кафедре ядерно-радиометрических методов и
геофизической информатики Российского государственного
геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе в рамках индивидуального аспирантского плана.
Автор глубоко благодарен научному руководителю доктору технических наук профессору В. М. Бондаренко за участие в становлении автора как
исследователя. Автор глубоко признателен членам кафедры профессорам Г. В. Демуре, Б. Е. Лухминскому, Е. И. Савенко , старшему преподавателю А. В. Карпову за помощь, полезное обсуждение результатов работы и конструктивную критику.
Динамическая физико-геологическая модель переноса радона в зоне дробления пород под влиянием переменной температуры
Прежде всего подчеркнем общеизвестный факт изменения температуры (появление максимальных и минимальных значений) приземного слоя атмосферы и, следовательно, прилегающего слоя горных пород во времени. Эти изменения температуры могут иметь самые различные периоды: суточные, сезонные, годичные, 5-6-летние, соответствующие колебаниям Эль-Ниньо. На перенос радона в горных породах также будут влиять апериодичные вариации температуры, происходящие в течении нескольких дней, недели, декады, месяца и т.д. При этом глубина проникновения температурной волны в горные породы может меняться от нескольких десятков см до глубины нейтрального слоя(15-К20м).
В качестве примера на рис. 1 показано поведение суточной периодической волны на земной поверхности и разных глубинах в песчано-глинистых отложениях. Здесь же приведены вертикальные градиенты для минимумов и максимумов тепловых волн. Следует подчеркнуть, что направление теплового потока 1т противоположно направлению градиента температуры, т.е. поток направлен от области высокой температуры к области низкой, что следует из выражения [106]: где Кт - теплопроводность пород, кал/см-с-С; AT/Az - температурный градиент, С/см.
Элементами модели для зоны аэрации при изменении температуры на +АТ от ее средней величины Тср являются следующие.
При +АТ увеличивается испарение воды, частично заполняющей поры горной породы, и возникает разряжение, в которое засасывается геогаз (в том числе и радон) в основном из нижележащих слоев. Этот эффект создает поток геогаза, направленный в область, где происходит более интенсивное испарение, т.к. создается восходящий поток радона (рис. 2, а).
Плотность потока водяного пара Іп в почве определяется уравнением [106]: где D — коэффициент диффузии водяного пара, см2/с; Дрп - разность плотностей водяного пара (г/см ) в двух точках, расположенных на расстоянии Az (см).
При увеличении Т плотность пара растет и плотность потока водяного пара для +АТ будет отрицательной, т.е. поток будет направлен от теплого участка породы к холодному. Пары воды захватывают атомы радона и таким образом создается нисходящий поток радона. Если же верхний слой породы имеет меньшую относительную влажность, чем нижележащий, то может возникнуть восходящий поток водяного пара, так как плотность пара на разных глубинах необходимо уменьшить на величину относительной влажности.
Уменьшение Т, т.е. при -AT, приводит к конденсации водяного пара и, следовательно, понижению порового давления (рис. 2, б). Как следствие, происходит подсос атмосферного воздуха. Плотность потока радона будет направлена вглубь, что приведет, в частности к понижению ПНР.
Далее отметим, что коэффициенты объемного расширения J3 жидкой и газообразных фаз примерно в 10J больше для твердой фазы горной породы. Уравнение состояния газа устанавливает связь между объемом газа Vr при Т С и его давлением Р [мм. рт. ст.]: где V0 - первоначальный объем газа, 760 мм. рт. ст. — нормальное атмосферное давление, (3Р=0,01101 град"1 - коэффициент расширения газа при постоянном давлении.
Изменение Т С от 0 С до 20 С и постоянном атмосферном Р приводит к увеличению Vt примерно на 7%, что соизмеримо с пористостью горной породы. Вследствие ограничения порового пространства твердой фазой позникает повышенное давление геогаза и водяного пара в порах породы (рис. 2, а). Формируется поток геогаза (в том числе радона) в сторону земной поверхности,
Рис. 2. Динамическая физико-геологическая модель переноса радона в зоне дробления пород под влиянием переменной температуры AT. Формирование потоков радона: а - восходящие за счет испарения воды и расширения геогаза, находящихся в порах горной породы (красная и синяя стрелки, соответственно) и нисходящего конвективного, обусловленного уменьшением AT/Az с глубиной (черная стрелка); б - нисходящие за счет конденсации паров воды и сжатия порового геогаза (красная и синяя стрелки, соответственно) и восходящего конвективного, вызванного увеличением AT/Az с глубиной (черная стрелка). Ратм _ давление атмосферного воздуха, АРГГ - относительное давление геогаза, AVrr - относительный объем геогаза, 3. П. - земная поверхность, УГВ - уровень грунтовых вод.
Влияние переменных влажности и температуры на величину объемной активности радона
Газо- и водонаполненные части пор обычно располагаются вблизи и большая часть радона, эманируя в поры, может диффундировать из воды в газ и обратно пока не достигнет приблизительного равносевного распределения между газовой и водной фазами. Коэффициент распределения радона между водой и газом (коэффициент Освальда) равен: концентрация радона на единицу объема воды или газа.
Значение Kt варьирует от 0,525 при 0 С до 0,225 при 25 С в чистой воде (рис. 27). Коэффициент Kt является чувствительной функцией температуры, т.е. имеет больший градиент при температурах, близких к замерзанию, чем при высоких температурах, при равенстве других факторов. Радон в меньшей степени растворяется в концентрированном электролитическом растворе, чем в чистой воде (рис. 27). Увеличение влажности пород W приводит к тому, что большая часть радона остается в поровом пространстве вследствие уменьшения эксхаляции с земной поверхности и растворения в воде. Повышенная влажность пород затрудняет искусственную эксхаляцию радона из порового пространства, поэтому измеренная С с помощью принудительного отбора пробы геогаза из шпура будет падать с увеличением W.
Принудительное поступление подпочвенного радона в измерительную камеру радиометра РГА-01 будет уменьшаться по мере возрастания влажности W пород за счет сокращения газовой составляющей заполнителя порового пространства, а также ухудшения транспортировки геогаза между отдельными порами. Это предположение подтверждается корреляционными зависимостями между CRJ, И W, полученными для двух выборок измерений, выполненных в песчано-глинистых отложениях (рис. 28).
Уравнения корреляции и коэффициенты корреляции R, полученные по двум выборкам из фактических данных, имеют вид:
Уменьшение ОА подпочвенного радона с увеличением влажности на 1%, т.е. градиент, составляет -1950 и -1920 [BK-M 3/1%W] ДЛЯ 1-ОЙ И 2-ОЙ выборок, соответственно. Величина «влажностных» градиентов ОА радона связана со значительным влиянием температуры грунта на его влажность (рис. 29, а). Исходя из уравнения корреляции вида:
Таким образом, можно констатировать наличие прямо противоположных зависимостей рассчетных и измеряемых объемных активностей подпочвенного радона от величины влажности (влагонасыщенности) пород. В расчетных моделях ОА подпочвенного радона возрастает вследствие затруднения выхода его к земной поверхности и далее в атмосферу. При измерениях с принудительным отбором подпочвенного воздуха возникает трудность (вследствие закупорки водой порового пространства) откачки пробы геогаза в измерительную камеру радиометра.
Исследование влияния превышения температур точек измерения относительно точки с минимальной температурой проводилось для песчано-глинистьгх отложений Московской области. Измерения температур выполнялись на забое шурфов глубиной 0,4 м с экранированием полупроводникового датчика температуры от влияния температуры атмосферного воздуха детектором спектрометра «Прогресс», который погружали в тот же самый шурф для измерения удельных активностей радионуклидов. Экспозиция измерения 15- 20 мин была достаточной для преодоления тепловой инерции температурного датчика и восприятия температуры пород. Две выборки корреляционной зависимости CR AT удовлетворяют уравнениям (рис. 29, б):
Прямо пропорциональная зависимость С от AT подтверждает сделанный выше вывод о возрастании измеряемой активности подпочвенного радона с уменьшением влажности пород, в частности, за счет повышения их температуры.
В результате анализа полученных данных можно сделать следующие основные выводы: 1. Сравнение результатов регрессионного анализа зависимостей CRn-j-ARa для двух типов пород (карбонатных и песчано-глинистых) показывает, что в обоих случаях выделяются две выборки, которые описываются линейными уравнениями корреляции с высоким коэффициентом корреляции (0,8-Ю,9) и имеют близкие градиенты CR A , различающиеся менее, чем на 10%; но для карбонатных пород больший CRn -ARa имеет выборка низких CRU, а для песчано-глинистых пород - наоборот, что обусловлено влиянием степени глинистости пород на газопроницаемость и величину адсорбированного 226Ra. 2. Установлены прямые корреляционные зависимости между Ак, которая характеризует глинистость пород, и ARO, и Ать in situ, а также для воздушно сухих проб; но в природных условиях дополнительно выявлены обратные зависимости ARa4-AK для карбонатных и песчано-глинистых отложений, что связано с вариациями газопроницаемости пород за счет изменения глинистости и привносом «глубинного» радона в точку измерения ARa при небольших Ак; величина плотности потока с земной поверхности обратно пропорциональна глинистости пород. 3. Выявлено, что коэффициент газопроницаемости К„р зависит от гранулометрического состава, плотности, пористости, эффективной пористости и влагонасыщенности пород. 4. Полученные корреляционные зависимости показывают, что повышение влажности пород приводит к понижению измеряемой объемной активности подпочвенного радона. Это связано с затруднением искусственной эксхаляции радона из порового пространства с увеличением толщины водной пленки. Сильное влияние на величину влажности оказывает температура пород. Для песчано-глинистых отложений влажность меняется примерно на 10% при изменении температуры на 1 С.
Влияние карбонатного карста на измеряемую объемную активность подпочвенного радона
Развитие карста в известняке, доломите, мелу происходит в результате растворения карбонатных пород под действием воды, содержащей свободную углекислоту, в присутствии которой монокарбонат переходит в бикарбонат, значительно более растворимый:
Избыточное содержание С02 нарушает равновесие и переводит твердый углекислый кальций в раствор. Более того, избыток С02 устремляется к земной поверхности, увлекая и тяжелый радон.
Развитие карста происходит под воздействием поверхностных и подземных вод на водопроницаемую (трещиноватую) породу. Характерными поверхностными формами карста являются воронки в виде правильных конических, котлообразных или блюдцеобразных углублений, либо ям неправильной формы. Размеры воронок в диаметре до 100 м и более. Глубина может достигать нескольких десятков метров. На дне воронки могут быть трещины, поглощающие воду, либо дно может быть покрыто красно-бурой глинистой породой, являющейся остаточным продуктом выщелачивания известняков.
Таким образом, структурно-литологические особенности известнякового карста являются благоприятными факторами для формирования аномального поля радона. Так, трещиноватые, обычно линейно вытянутые зоны дробления, с которыми зачастую и связано развитие карста, выделяются повышенными значениями объемной активности подпочвенного радона, интенсивно выносимого избыточным содержанием С02 к земной поверхности (рис. 32). Непосредственно закарстованные породы характеризуются пониженными концентрациями радона за счет присутствия в них карбонатной муки и дресвы, создающих «запирающий» слой для проникновения геогазов, в том числе и радона. Но все-таки «воронковые» минимумы радона будут превышать уровень радонового поля над ненарушенными известняками за счет несколько повышенной газопроницаемости закарстованных пород. Однако, этот признак, если он и присутствует в природных условиях, на практике трудно обнаружить вследствие относительно высокой погрешности измерения радонового поля и поэтому не может считаться достаточно надежным.
Измерения объемной активности (ОА) подпочвенного радона выполнялись прибором РГА-01 по субширотным профилям, ортогональным предполагаемому простиранию основных зон дробления, развитых на площади исследований . Общая длина профилей составила 9725 м. Шаг измерений был равен 25 м, т.е. всего было выполнено 393 измерения ОА Rn. На каждой точке измерения пробы подпочвенного воздуха для определения ОА Rn брали из шпура глубиной 0,6 м. Уровни нормального (фонового) поля радона С„„. вычислялись как Снп = -, где п — число измерений фона; средние а минимальные аномальные значения радонового поля как СЬ=С„„+3 5 (таблица 7). В этой же таблице 1 приведены даты измерений и погодные условия для конкретных точек измерений. Можно заметить, что ни погодные
Рис. 32. Физико-геологическая модель карбонатного карста. CRJ, - объемная активность подпочвенного радона; 1 - элювиально-делювиальные отложения; 2 - карбонатные породы, разрушенные до щебня и закарстованные до муки и дресвы и создающие "запирающий" слой для переноса радона; 3 - массивные карбонатные породы, обладающие низкой газопроницаемостью; 4 - массивная карбонатная порода пористая, кавернозная, трещиноватая, разрушенная до щебня, с прослоями глинистого материала, обладающая высокой газопроницаемостью. условия, ни другие особенности условий измерений практически не оказали влияния на минимально аномальные уровни радонового поля. Так, средняя по всем четырем профилям величина С" = 6600Бк/м3, а максимальное отклонение для профиля 2 не превышает 15 % или 1000 Бк/м , т.е. меньше средних квадратических погрешностей. Фактические данные о величинах объемной активности подпочвенного радона были осреднены скользящим «окном 3», т.е. вычислялась средняя величина -сР - " , где і = 1, 2, 3, ... — значения ОА Rn на пикетах измерения. Сср относилась к среднему из пикетов.
Надежность выделенных аномалий радона была подтверждена измерениями удельных активностей Ra, Th, К и эффективной активности, которые были выполнены гамма-спектрометром «Спутник». Измерения проводились в геометрии 4ж, для чего детектор спектрометра погружался на забой шурфа диаметром около 0,1 м и глубиной около 0,4 м. Всего было сделано 20 измерений удельных активностей на аномалиях радона, из них: 7 -на профиле 1; 4 - на профиле 2; 6 - на профиле 3 и 3 - на профиле 4, а также три измерения всех удельных активностей в нормальном радоновом поле (таблица 8).
Статическая модель радоновыделения оползневого склона
Изучение непрерывных временных вариаций объемной активности подпочвенного радона в течение нескольких лет в различных регионах привело к установлению закономерной связи между значительными аномалиями радона и глобальными деформациями земной коры, а также сильными землетрясениями. Глобальные деформации обусловлены ротационной силой и силой, возникающей вследствие флюктуации угловой скорости вращения Земли. Резонансные свойства земного волновода создают условия для надежной регистрации временных предвестников землетрясений, будущие очаги которых могут располагаться на расстояниях десятков тыс. км от радоновых станций.
Многими исследователями отмечалась взаимосвязь между временными вариациями объемной активности радона в подземных водах или подпочвенном воздухе с напряженно-деформационном состоянием геодинамических зон (тектонических разломов, зон дробления пород) [3, 4, 12, 14, 17,21-23,25, 30, 69-72, 78-81, 93-95, 98 и др.].
Долговременные радоновые измерения были осуществлены в различное время и в разных точках земного шара (в основном в США и на территории бывшего СССР). Непрерывные измерения концентрации радона осуществлялись по ос-трекам (США) и по гамма-квантам продуктов распада радона и торона сцинтилляционным детектором, погруженном на глубину 1,8 м от земной поверхности (бывший СССР).
Временные вариации радоновыделения из пород геодинамической зоны связаны с объемными деформациями, приводящими при сжатии зоны к уменьшению ее пустотности и, следовательно, к выдавливанию радона в объем детектора радоновой станции и далее в атмосферу. При растяжении пустотность геодинамической зоны возрастает, происходит частичный отсос радона из объема детектора и заполнение его атмосферным воздухом.
Анализ фактического материала приводит к следующим однозначным выводам (рис. 37 ) : временные вариации CRn в геодинамических зонах существенно интенсивнее по сравнению с временными вариациями CRH В ненарушенных породах; наблюдается надежная корреляция между изменением периода вращения Земли и соответствующими по времени значительными повышениями концентрации радона; при этом сопоставление данных, полученных в США (Chi Ju King, 1980; Libby W., 1980) и в СССР (Бондаренко В. М„ Анохин И. Н., 1995) показывает, что возрастание С коррелирует с уменьшением или увеличением периода вращения Земли в зависимости от расположении радоновой станции севернее или южнее относительно критической широты 35.
Механизм переменного во времени и пространстве радоновыделения в геодинамических зонах связан с деформациями, которые возникают в горном массиве под воздействием следующих основных сил [15]: сила, обусловленная разницей литостатических давлений пород геодинамической зоны и ненарушенного блока за счет различия в их плотности и прямо пропорциональна отношению р3/рбл (здесь р3 - плотность геодинамической зоны, рСл - плотность ненарушенного блока пород); ротационная сила, появляющаяся за счет осевого вращения несферичной Земли с постоянной (средней) скоростью в двух ограничивающих зону с севера и юга и имеющих, следовательно, различные земные радиусы; ротационная оболочка несферичной Земли создает на широте -56 постоянные однонаправлено действующие растягивающие напряжения порядка 100 МПа, что примерно на два порядка превосходит сжимающее литостатическое напряжение; сила, возникающая вследствие флюктуации угловой скорости осевого вращения Земли; это переменное (растягивающее и сжимающее) горизонтальное напряжение около 230 МПа, что соответствует деформациям порядка 10"2 при изменении периода вращения земли на 1 мс, накладывается на ротационное растягивающее напряжение; периодические изменения силы тяжести под воздействием притяжения луны и Солнца; эта, так называемая, приливная сила, является глобальной, но создает деформации не более 10"7-Ч0"8, хотя в суточных вариациях CRn они проявляются; сила, появляющаяся в результате флюктуации глобальной и местной температуры на земной поверхности, может создавать деформации около 10" 6, но с глубиной они быстро затухают и уже на глубинах около 50 м не превышают 10"9; резонируя с приливными, термодеформации стимулируют появление суточных, а иногда и сезонных вариаций С ; сила, обусловленная перемещением масс воды Тихого океана и изменением уровня либо напора подземных вод в результате паводковых или других явлений; гидродеформации, появляющиеся в последнем случае, приводят к аномальным периодам радоновыделения, соизмеримым по величине от действия центробежных сил, возникающих при вращении Земли вокруг свой оси; глобальные гидродеформации, обусловленные действием Эль-Ниньо, вызывающее перемещение гигантских водных масс Тихого океана, осциллирует с повторяемостью от 4 до 6 лет и продолжительностью воздействия около года, поэтому не анализируется;
