научная статья по теме К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ БАРОВАРИАЦИЙ НА ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В АТМОСФЕРУ Геофизика

Текст научной статьи на тему «К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ БАРОВАРИАЦИЙ НА ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В АТМОСФЕРУ»

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2007, № 6, с. 46-53

УДК 550.348+551.594

К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ БАРОВАРИАЦИЙ НА ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В АТМОСФЕРУ

© 2007 г. П. П. Фирстов2, Е. А. Пономарев3, Н. В. Чернева1, А. В. Бузевич2, О. П. Малышева2

1Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, пос. Паратунка, Камчатская обл., 684034 2Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006 3Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, 664033 Поступила в редакцию 24.11.2006 г.

Исследуется модель воздействия вариаций атмосферного давления на сток радона в атмосферу из рыхлых отложений, которые рассматриваются как пористая среда с газодинамическими свойствами, описываемыми законом Дарси. Показано, что модельные результаты удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным, полученным на сети пунктов мониторинга подпочвенного радона на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне в 1997-2006 гг. Разработана и апробирована методика оценки коэффициента Дарси на основании экспериментальных данных мониторинга за концентрацией радона в рыхлых отложениях на разных глубинах.

ВВЕДЕНИЕ

В подпочвенном воздухе находится смесь воздуха с геогазом, в котором, наряду с такими газами, как Н2, С02, СН4, Не и др., содержится радон (22^п) - естественный ионизатор приземного слоя воздуха. Вариации объемной активности радона (ОА Rn) изменяют электрические характеристики приземной атмосферы, которые могут быть оперативными предвестниками (время упреждения - сутки и менее) сильных землетрясений Камчатки [6, 7]. Поэтому большой интерес представляет информация обо всех факторах, влияющих на сток Rn в атмосферу. Возможные механизмы массопереноса геогаза подробно даны в обзорной работе [12]. В данной статье делается упор на изучение влияния вариаций атмосферного давления на эксхаляцию радона из рыхлых отложений.

Влияние атмосферного давления на динамику подпочвенного Rn отмечалось в первых работах по эманационной съемке, которая получила широкое распространение в 1950-х годах XX столетия с целью поиска месторождений радиоактивных руд. Этому вопросу посвящено достаточно много работ [1, 2, 5, 13], в которых дано объяснение причины влияния вариаций атмосферного давления на эксхаляцию радона из рыхлых однородных отложений. Причем процесс массопереноса газов в рыхлых отложениях описывается "уравнением газовой атаки", в котором фигурирует как диффузионный член, так и конвективный (адвективный) член, соответствующий свободному течению. В пористой среде (размер пор в которой много меньше характерного размера

самой среды), в качестве которой нами принимаются элювиально-делювиальные отложения, характерные для пунктов радонового мониторинга на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне, свободного течения нет. Градиенту давления в такой среде пропорционально не ускорение, как при свободном течении, а скорость. Вклад силы тяжести тоже мал, так как длина волны возмущения в пористой среде много меньше высоты однородной атмосферы. В данной работе сделана попытка уточнения физической сущности этой связи и ее описание при рассмотрении элювиально-делювиальных отложений в качестве пористой среды. Можно учитывать влияние баровариаций на основе статистического анализа [4], как это сделано в [10], однако имеет смысл рассмотреть и схему, основанную на физической причинно-следственной связи, что может быть полезным для мониторинга подпочвенного радона с целью прогноза сильных землетрясений Камчатки.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ НАБЛЮДЕНИЙ, ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Сеть пунктов наблюдений за динамикой радона в подпочвенном воздухе расположена на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне. Аппаратура и методика наблюдений достаточно подробно описана в [10, 11]. Почти во всех пунктах наблюдения газоразрядные счетчики в-излучения установлены на двух глубинах - один и два метра, что позволяет следить за динамикой

Рис. 1. Схема размещения датчиков в скважине НИС-1: I - газоразрядные счетчики Ь-излучения; II -датчики температуры; III - датчики давления; IV - датчик углекислого газа.

кинематических и динамических параметров концентрации Rn в подпочвенном воздухе на разных глубинах и сопоставлять их с баровариациями. Кроме того, на двух станциях Паратунка (ПРТ) и Институт (ИНС) регистрируется концентрация радона с поверхности грунта, а также атмосферное давление и температура. Частота дискретизации всех наблюдаемых параметров в пункте ПРТ составляет 2.0 час-1.

Особый интерес, с точки зрения влияния баро-вариаций на эксхаляцию радона из рыхлых отложений, представляет пункт наблюдений ИНС на базе скважины НИС-1, располагающийся рядом со зданием Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. С точки зрения геолого-тектонического положения эта скважина (глубина 350 м) расположена в пределах Петропавловского горста в районе погребенной депрессии, перекрытой толщей позднеплейстоценовых вулканогенных осадочных отложений. В интервале 0-180 м скважиной вскрыты отложения от направленного взрыва вулкана Авача, а в интервале 180-330 м -морские валунно-галечниковые отложения. Скважина обсажена на всю глубину стальными труба-

ми, а в интервале 265-295 м установлен щелевой фильтр. Вода гидрокарбонатная, натриево-каль-циевая. Уровень воды в скважине в период с декабря 1979 г. по июнь 1993 г., когда проводились уровнемерные наблюдения, колебался, в зависимости от сезона, в пределах 51.0 - 52.5 м (устное сообщение Ю.М. Хаткевича).

В настоящее время на глубине 16 м в стволе скважины находится техногенная "пробка". Над оголовком скважины сооружен подземный бункер размером 2 х 2 х 2 м3, над которым на поверхности земли установлен металлический контейнер. Подземный бункер через контейнер и систему труб вентилируется за счет естественной конвекции воздуха (рис. 1). Строительство данного сооружения было выполнено под руководством В.А. Гаврилова и О.П. Руленко.

С целью изучения особенностей массопереноса радона в подземном бункере установлено четыре газоразрядных счетчика. Схема размещения датчиков в скважине НИС-1 приведена на рис. 1:

1) в стволе скважины на глубине 2.5 м от края оголовка;

2) в зоне аэрации на глубине одного метра от пола;

3) в накопительной емкости, установленной на полу;

4) в воздухе подземного бункера.

Кроме того, в ствол скважины на глубину один метр опущен датчик для регистрации концентрации углекислого газа. В наземном контейнере установлены датчик температуры и датчик атмосферного давления, а в подземном бункере три датчика температуры и датчик давления.

Регистрация всех параметров осуществляется с помощью двух измерительных приборов ALMEMO 2390-8 и ALMEMO 2590-9 с частотой дискретизации 6.0 час-1.

МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВАРИАЦИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА СТОК РАДОНА В АТМОСФЕРУ

Рассмотрим рыхлые отложения как пористую одномерную среду, заполненную подпочвенным воздухом (геогазом), скорость потока подпочвенного воздуха в которой подчиняется закону Дарси [3, 8]:

V = -К/ ц х dP / dz,

(1)

где: К - коэффициент проницаемости рыхлых отложений, ц - динамическая вязкость воздуха, ЭР/Э^ - градиент давления в подпочвенном воздухе, при условии дР < Р0, где Р0 - атмосферное давление на дневной поверхности.

Из уравнения непрерывности следует, что скорость изменения числа молекул подпочвенного воздуха (п) определяется уравнением:

dn/dt = -n0divV.

(2)

nnV = -Dd n/dz.

(3)

Подставив (3) в (2), получим уравнение одномерной диффузии с коэффициентом диффузии В:

д п/д t = Dd2 п/д z2.

(4)

компактном виде выражение (5) можно записать в следующем виде:

п = ехр (Шт), (6)

где Ст = (а2т + Ь2т )1/2, Ыт = [(тИГ - Ь) - Ут]

18 У т = Ьт/ат ■

Подставив (6) в (4), находим: ¡гот + Вк2 = 0, откуда к = (1 - ¡) (ит/2В)1/2).

Подставив (6) в (3), найдем:

1/2

nn V = Х(Drom) cmexpi[(mrot - knz) -- ¥m )]exp (-k n z),

(7)

U = Vф х 5P/Pn

Здесь п - плотность молекул воздуха в рыхлых отложениях, которая равна п = р/С2М, где С - скорость звука в атмосфере, М - средняя молекулярная масса подпочвенного воздуха, п0 - плотность числа молекул воздуха при нормальном давлении. Обозначим через В величину КсМп0/ц = КС2/\, где V = ц/Мп0 - кинематическая вязкость. Тогда уравнение (1) можно записать так:

Будем искать решение уравнения (4) в виде:

п = £[amsinm(rot - kz) + bmcosm(rot - kz)], (5)

где суммирование ведется no m от 0 до конца верхней части временного интервала. В более

где k0 = (rom/2D)1/2.

Это решение описывает процесс распространения пульсаций скорости течения подпочвенного

воздуха в пористой среде. Величина kJJ1 = z0 - расстояние, на котором скорость пульсаций затухает в е раз, а ro/k0 - их фазовая скорость движения в пористой среде по оси z:

V^ = (2 Drom )1/2 = c (2 roK/v)1/2. (8)

Для суточных колебаний при К = 10-10 см2 фазовая скорость составит ~10-2 см/с. Массовая скорость подпочвенного воздуха:

(9)

где 5P/P0 - относительная вариация атмосферного давления.

На границе пористой среды и атмосферы происходит взаимодействие геогаза с атмосферным воздухом. При увеличении атмосферного давления воздух входит в поры и "поджимает" геогаз, а при уменьшении воздух и часть геогаза выходят из пор. Так что в среднем, за период изменения атмосферного давления, происходит "откачка" геогаза в атмосферу.

В случае изменения атмосферного давления по закону ~ sinrot > 0, на первом полупериоде количество геогаза в воздухе не меняется, а на втором полупериоде происходит его сток в атмосферу. Формально, на дневной поверхности (z = 0) этот процесс будет описываться уравнением:

nRU = 0, если sinu* > 0;

m (10) nRU = nRVф(5P/Pn)sinu*, если sinu* < 0,

где u* = mrot - ym.

Временной ход поступления геогаза в атмосферу |5P/P0| в связи с фазой изменения атмосферного давления для простейшего случая, когда справедливо уравнение (10), показан на рис. 2.

Пусть % = nR/n0 - среднее относительное содержание геогаза в подпочвенном воздухе, то-

Атмосферное давление и ОА Яп, усл. ед. 1.0 г

12

24

36

48 Т, ч

Рис. 2. Вариации атмосферного давления (1) и отклик геогаза (2) на дневной поверхности, рассчитанный по формуле (10). Кривые нормированы на ма

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком