ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2009, № 2, с. 34-48
УДК 550.3;550.4
ЭМАНАЦИЯ РАДОНА КАК ИНДИКАТОР ИНТЕНСИВНОСТИ МЕЖГЕОСФЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ГРАНИЦЕ ЗЕМНАЯ КОРА - АТМОСФЕРА
© 2009 г. А. А. Спивак, С. А. Кожухов, М. В. Сухоруков, В. А. Харламов
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 16.01.2008 г.
Приводятся результаты измерений объемной активности подпочвенного радона Я для нескольких участков земной коры, расположенных в пределах Центральной части Восточно-Европейской платформы. Показано влияние тектонических структур на пространственную зональность радоновых эма-наций и интенсивность их временных вариаций. Временные вариации радоновых эманаций характеризуются цикличностью с периодами около суток, а также 4; 14 и 29 сут, и, как показывает корреляционный анализ, определяются цикличностью приливных деформаций и циклоническими процессами в атмосфере. Установлена высокая корреляция средних значений объемной активности подпочвенного радона с величиной атмосферного давления. Определена зависимость объемной активности подпочвенного радона и ее временных вариаций от глубины в диапазоне глубин 0.8-11.5 м. В результате лабораторных экспериментов установлен нелинейный характер зависимости радоновых эманаций от частоты вибровоздействия. Для гранитов интенсивность эманаций максимальна на частотах 16 и 32 Гц. Результаты комплексных измерений микросейсмического фона и объемной активности подпочвенного радона, выполненных в районе Нелидово-Рязанской тектонической структуры, демонстрируют высокую корреляцию между объемной активностью подпочвенного радона и относительной амплитудой квазимонохроматической составляющей микросейсмического фона с пиковой частотой 16.5 Гц.
Ключевые слова: земная кора, эманация подземных газов, радон, тектонический разлом, подпочвенная атмосфера.
PACS: 91.30.Bi, 91.55.Ax
ВВЕДЕНИЕ
Изучение газообмена в системе литосфера - атмосфера представляет значительный интерес как с точки зрения описания процессов образования и эволюции Земли, так и установления современного термодинамического режима и закономерностей тепломассопереноса в ее внутренних оболочках [Гуфельд, 2007; Летников, 2002; Маракушев, 1992]. Особый интерес вызывает эманация подземных газов при определении характера и количественных характеристик межгеосферных взаимодействий [Адушкин и др., 2006].
Эманация газов является одним из важнейших элементов взаимодействия геосфер на границе земная кора - атмосфера. При этом интенсивность эманаций подземных газов характеризует не только их запасы и термодинамическое состояние в источниках, но также - фильтрационные свойства земного вещества, которые могут изменяться в результате тех или иных геодинамических процессов.
Действительно, внешние возмущения (длиннопе-риодные деформации различной природы, вибровоздействия естественного и техногенного происхождения, неравномерности собственных и орбитальных движений Земли и т.д.) приводят к
изменению характеристик твердого земного вещества, в частности, его проницаемости, а также проницаемости каналов миграции газов, представленных, например, тектоническими структурами (разломами и трещинами) разного ранга.
Состав эманирующих газов зависит от конкретного участка земной коры и характеризуется, как правило, наличием Н2, СО2, паров воды, а также рядом углеводородных соединений СН4, С2Н6, С2Н4 и другими [Войтов, 1986; Войтов, 1993; Файф, Прайс, Томпсон,1981]. Характерной особенностью подземных газов является наличие в них небольшого количества инертных газов и их изотопов (Не, №, Дг, Тп, Rn). Среди последних особое место занимает изотоп радона 22^п - радиогенный газ, принадлежащий к уран-радиевой радиоактивной серии. Повсеместное распространение радона в земной коре, непрерывность генерации в урансодержащих геологических формациях, а также его особые свойства: невысокая химическая активность, простота регистрации вследствие его радиоактивности, небольшое время полураспада Т0 = 3.824 сут - все это делают его оптимальным индикатором современных геодинамических процессов, протекающих в земной коре. При этом, несмотря на весьма малое
содержание радона в общем газовом потоке (около 10-16-10-18 % [Войтов, 1998; Уткин, 2000]) интенсивность его эманаций может служить характеристикой эманации и других газов. Последнее связано с механизмом миграции природного радона: весьма обоснованным представляется утверждение, что достаточно тяжелый радон (плотность 9.73 кг/м3) переносится к земной поверхности путем захвата пузырьками водорода и метана [Войтов и др., 2000; Шулейкин, Резниченко, 2007].
Так как измерения активности радона непосредственно на земной поверхности (в приземном слое атмосферы) существенно осложнены его "разбавлением" приземной атмосферой, а также не всегда благоприятной метеообстановкой, для характеристики интенсивности радоновых эманаций используется объемная активность радона в подпочвенной атмосфере, регистрация которой выполняется на глубине, превышающей толщину почвенного слоя (сложные механо-химические процессы в почвенном слое рассматриваются, как правило, отдельно).
Количество мигрирующего из недр природного радона определяется интенсивностью его генерации в урансодержащих геологических формациях и временем миграции, которое, в свою очередь, определяется проницаемостью грунтов и горных пород. Это связано с тем, что активность радона зависит от времени его распространения от источника, поскольку количество радиоактивных распадов в единицу времени N уменьшается со временем £ согласно зависимости:
N = N0 e
(1)
где N0 - начальная активность радона в источнике; X = 1п2/Г0.
Так как деформационные процессы, постоянно протекающие в среде, вызывают изменение ее фильтрационных свойств (а, следовательно, - времени миграции радона) интенсивность поступления радона в атмосферу используется не только как характеристика прямого газообмена между литосферой и атмосферой, но также - в качестве индикатора деформационных процессов в недрах Земли [Войтов, 1998]. В частности, аномальные вариации интенсивности радоновых эманаций предлагается рядом авторов использовать в качестве предвестника землетрясений [Уткин, Юрков, 1998; Уткин, 2000].
В результате большого объема измерений, выполненных в разных условиях, к настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, который, во-первых, подтверждает правомерность использования радоновых эманаций для характеристики интенсивности геодинамических процессов [Беликов, Шестаков, 2000; Ри]1уо8Ы й а1., 2005], в том числе в условиях мегаполиса [Дорожко, Макаров, 2005], а, во-вторых, демонстрирует достаточно высокую корреляцию объемной активности подпочвенного радона Я с глобальными вариациями напряженно-деформированного состояния земной
коры [Рудаков 1992; Рудаков и др., 2003], метеоусловиями [1оппМе8, й а1., 1996], влажностью почвы и напряженностью электрического поля в приземном слое атмосферы [Адушкин и др., 2006; Войтов и др., 2000; Фирстов и др., 2006; Шулейкин, 2007]. Отмечается также роль тектонических разломов в пространственном распределении объемной активности подпочвенного радона [Ionnides е1 а1., 1996; Адушкин и др., 2006; Спивак, Кожухов, 2004].
В настоящей работе приводятся результаты регистрации и анализа объемной активности подпочвенного радона на нескольких участках земной коры Центральной части Восточно-Европейской платформы, характеризующихся наличием тектонических структур разного ранга.
МЕТОДИКА, РАЙОН ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения объемной активности природного радона 222Rn в подпочвенной атмосфере выполнялись методом отбора проб [Спивак и др., 2005] один раз в час. Регистрация величины R производилась с помощью автоматизированных радиометров радона РРА-03 и радон-монитора РГА-01А, основные технические характеристики которых приведены в табл.1.
В большинстве экспериментов отбор проб воздуха на активность радона производился с глубины 0.8 м, для чего использовались неглубокие шпуры. При регистрации объемной активности подпочвенного радона на разных глубинах использовался вертикальный шпур глубиной 0.8 м, скважина диаметром 100 мм глубиной 12 м с обсадкой до глубины 11 м и два горизонтальных шпура диаметром 80 мм глубиной 1.2 м, пройденных из бетонированного фортификационного сооружения на глубинах 5.5 и 9 м. Камеры отбора проб воздуха, расположенные у забоя скважины и шпуров, отделялись от них специальными герметизаторами, выполненными в виде шайб из пористой резины, насаженными на металлическую трубу, через которую производился отбор проб с помощью полиэтиленового шланга малого диаметра.
Измерения проводились на нескольких участках земной коры в пределах Московской синеклизы (рис. 1): на южной окраине Пачелмского авлакогена (район Нелидово-Рязанской тектонической структуры [Адушкин и др., 2006]) и северной окраине Подмосковного авлакогена (район Ногинской тектонической структуры [Локтев, Спивак, 2006]).
Детальная схема расположения пунктов регистрации в районе Нелидово-Рязанской тектонической структуры (НРТС) приведена на рис. 2. Район НРТС характеризуется достоверно установленной сетью тектонических структур II и III порядка относительно НРТС [Горбунова и др., 2002; Спивак и др., 2003] и по этой причине представляет особый интерес с точки зрения исследования их влияния на радо-
Таблица 1. Технические характеристики радиометров радона
Характеристики
Ед. изм.
Значения величин
Автоматизированный радиометр радона РРА-03
Диапазон измерений объемной активности 222Кп Чувствительность (не менее) Предел допустимой относительной погрешности Уровень собственного фона
Бк/м3
м/с Бк
%
о-1
Радон-монитор РГА-01А
20-2 х 104 1.6 х 10-4 20
2 х 10-3
Диапазон измерений объемной активности 222Кп Бк/м3 20-1 х 105
Период регистрации показаний с от 10
Нестабильность показаний % не более 10
Скорость прокачки воздуха л/мин 0.1-2
новые эманации. Для сравнительного анализа интенсивности радоновых эманаций на разных участках, а также при определении влияния тектонических разломов выполнялись измерения во всех пунктах, обозначенных на рис. 2, а также вдоль трасс, пересекающих т
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.