Мониторинг природных газов и естественной радиоактивности с целью пр

Мониторинг природных газов и естественной радиоактивности с целью
прогноза землетрясений и других аномальных явлений
Гайдук Н. В., Ткачёв Н. В., Суятин Б. Д.
Кубанский Государственный Университет
Краснодар, Россия
Monitoring of natural gas and natural radioactivity for the purpose of forecasting
earthquakes and other anomalous phenomena
Gayduk N.V., Tkachev N.V., Suyatin B.D.
Kuban State University
Krasnodar, Russia
На территории Краснодарского края расположены такие уникальные
геологические объекты, как грязевые вулканы, исследованием которых
занимались учёные Турции, Кипра и наша научная группа Краснодарского
края. В основном выделяется ряд вулканов грязевулканической провинции
Тамани, хотя отдельные проявления грязевого вулканизма встречаются и в
других районах Краснодарского края. Механизм их формирования до
настоящего времени исследован плохо. В плане нашего понимания глубинных
процессов, происходящих при формировании и активизации грязевых
вулканов, а также процессов формирования вулканических вод важно
измерение в них многих как стабильных, так и радиоактивных изотопов. К
сожалению, вариации этих изотопов в сопочных водах грязевых вулканов
Тамани исследованы слабо. Предварительные рассуждения, учитывающие
современные теории формирования структуры грязевых вулканов,
подразумевают присутствие космогенных изотопов в вулканических водах,
близкое к нолю. Большой интерес, с другой стороны, может представлять
измерение содержания трития в сопочных водах с точки зрения возможной in
situ генерации 3H в глубинах Земли с выходом изотопа на поверхность. Эти
измерения важны и с точки зрения изучения возможных ядерных процессов в
недрах, приводящих к появлению трития в горизонтах, не связанных с
поверхностными водами на уровне 0,1 - 0,01ТЕ. Такими процессами могут
быть, например, взаимодействие быстрых нейтронов с лёгкими элементами
пород и реакции тройного деление урана. Обращает внимание то, что
магматические вулканы в изотопном плане исследованы лучше грязевых.
Например, авторы [4] не нашли никаких свидетельств аномального содержания
3
H в водах кратера вулкана Килауэа (Гавайи), однако эти авторы не очень
убедительно показали, что отобранные ими образцы относятся к
магматическим водам. Авторы работы [5] изучали изотопный состав
углеродистых газов некоторых грязевых вулканах Тамани. Теми же самыми
авторами был изученная неустойчивость газовыделения.
Первые попытки измерения трития, 22Na, 36Cl в водах и радона в почве
некоторых вулканов Тамани описаны в работе [6]. Измерения таких изотопов,
как 22Na и 36Cl вообще не проводилось в сильноминерализованных водах (к
которым можно отнести сопочные воды), так это требует решения больших
проблем с фоном при измерении столь малых активностей
Наши исследования были выполнены на вулканах Голубицкий, Миска,
Гнилая, Гладковский, Шуго, Шапсугский. Их изверженные воды, в основном,
относятся к хлоридно-натриевому типу. Сульфатно-натриевые встречаются
реже; смешанный тип встречается ещё реже. Коэффициент метаморфизации
(гNa/гCl) вод изменяются от 0,48 до 10,0, причём преобладают значения от 1 до
2. Грифоны активно выделяют газы, основными в которых являются
гидрокарбонаты и CO2. Лёгкие гидрокарбонаты на 99,99 % представлены CH4
[5]. Также присутствуют азот и гелий. Содержание газов находится в
следующих пределах: для CO2 от 3,8 до 11,8 %; азота - от 0,0 до 8,9 %; гелия от 0.002 до 0,004 % по объёму.
В последние десятилетия проводятся исследования по мониторингу
окружающей среды. Например, многолетние исследования природной
радиоактивности, проводимые с участием юных экологов на разных
геологических объектах Краснодарского края (разломах, оползнях, грязевых
вулканах), показали сильное изменение концентрации радона, гамма-фона,
водорода, углекислого газа, особенно в период сейсмических воздействий
(землетрясений).
В связи с вышесказанным нами выбрана тема исследования «Мониторинг
природных газов и естественной радиоактивности с целью прогноза
землетрясений и других аномальных явлений».
Объектами исследования являются грязевые вулканы Краснодарского
края.
Предметом исследования является механизм исследования объектов на
предмет наличия естественной радиактивности и природных газов с помощью
методов ядерной аналитической химии.
Цель исследования разработать алгоритм прогнозирования опасных
геологических процессов.
2
Поставленная цель определила следующие исследовательские задачи
1) Изучить имеющуюся литературу по выбранной теме.
2) Изучить географию грязевых вулканов Краснодарского края.
3) Провести мониторинг газов и естественной радиоактивности.
4) Обработать результаты, полученные при мониторинге.
5) Разработать алгоритм прогнозирования опасных геологических
процессов.
6) Разработать и предложить для реализации проекты, направленные на
прогнозирование опасных сейсмический явлений и других аномалий.
Гипотеза исследования: методы ядерной аналитической химии могут быть
успешно применены для прогноза землетрясений и увеличения активности
грязевых вулканов, а также для гидрогеологических и экологических задач.
В своей работе мы опирались на следующие методы исследования: анализ,
синтез, наблюдение, описание, обобщение.
Актуальность выбранной темы обосновывается следующими пунктами:
1)
одно из наиболее развитых направлений в молодёжной
политике края – развитие краеведения и рекреационных работ.
2)
выполнение данной программы поможет молодежи освоить
современные
методы контроля
состояния окружающей среды,
прививать любовь к природе края.
3)
пещеры края в изотопном плане не изучены. Эти работы
соответствуют
тематике
Русского
географического
общества:
«устойчивое развитие
территорий»
и
«природоохранительная
деятельность».
4)
подобные широкомасштабные исследования в Краснодарском
крае не проводились. В мировой практике встречаются данные об
измерении отдельных изотопов в пещерах (например, в пещере Медвежья
в Польше (Судеты)).
Измерение радона
Твердотельные детекторы
В международной печати описано очень большое количество разных
конструкций детекторов почвенного радона на основе твердотельных
детекторов (Solid State Nuclear Trek Detectors – SSNTDs). Нами была
исследована разная геометрия открытых с одного конца камер для получения
максимальной чувствительности. Уменьшение плотности треков может
происходить при конденсации влаги на поверхности SSNTDs из-за изменений
3
температуры почвы. Были исследованы другие геометрии детекторов. В
качестве внутреннего детектора использовался пластмассовый стакана с
внешним диаметром 70 мм и высотой 170 мм. В любой конструкции при
снижении температуры ниже 10 0C появлялись капли воды на поверхности
SSNTDs. Поэтому конструкция «стакан в стакане» была выбрана, как самая
дешёвая. Кроме того, вертикальное расположение SSNTDs понизило
образование конденсата до 5 0C. После экспонирования в почве детекторы
подвергались химической обработке. Количество альфа-треков подсчитывалось
с помощью микроскопа.
Мониторинг радона в почве
Для мониторинга радона в почве грязевых вулканов был использован
полупроводниковый детектор (фотодиод размером 1см Х 1 см) CLLIPERTON II
(Франция). Он имел пределы измерения активности от 100 до 106 Бк/ м3. В
качестве источника электричества применялись 4 батареи LR20 (1,5 В). Они
сменялись один раз в 2 месяца. Отсутствие высокого напряжения и очень
низкое потребление электрической энергии - главное преимущество этого типа
счётчика. Зависимость скорости счёта от окружающей температуры не
наблюдалась.
Измерение радона воде
Радон в водных образцах измерялся методом дегазации. Применялся
барботёр объёмом 0,5л. Скорость барботирующего жидкость газа была
0,5л/мин. Использовалась циклическая схема: барботёр, осушитель,
сцинтилляционная камера объёмом 0.5 л, датчик СО2, насос. После 30 минут
дегазации камера с выделенным радоном помещалась в счётчик альфа-частиц.
Необходимая статистическая точность (чувствительность 0,1 Бк/л, погрешность
при измерении 1 Бк/л активности и выше – 5%) достигалась за 30 минут
измерений.
Гамма спектрометр
Низкофоновый гамма-спектрометр состоит из двух сцинтилляционных
кристаллов в общем металлическом экране. Меньший кристалл NaI(Tl)
размером 100 х 100 мм диаметром с фотоумножителем диаметром 80 см имеет
углубление («колодец») размером 65 х 25 мм диаметром. В этот «колодец»
помещаются образцы массой до 20 г для измерения в них радиоактивных
изотопов. Большой кристалл CsI(Tl) размером 150 х 200 мм диаметром и
фотоумножителем диаметром 170 мм используется для непрерывного
мониторинга гамма-фона. Энергетическое разрешение детектора NaI(Tl) при
облучении его гамма-квантами 0,662 MeV (137Cs) было 9,5%. Низкофоновая
4
камера включает в себя «обычный свинец» 5 см (снаружи), 18 см особо чистого
чугуна, 5 см «старого» свинца (выпуска до 1940 года), медь 3 см (внутри) и
вольфрам 3 см.
Измерение трития
Отбор водных образцов нами осуществлялся в количестве 0,5 литра для
определения трития, при этом особое внимание уделялось изоляции проб от
атмосферы. Для измерения низкой бета-активности трития мы использовали
жидкосцинтилляционную систему SL-4000 (Франция). 10 мл пробы
смешивались с 10 мл сцинтиллятора на основе толуола с добавками PPO и
POPOP.
Для обогащения проб использовался метод электролиза, как наиболее
доступный нам по стоимости анализа и возможности проведения в наших
условиях. Электролизёры представляют собой стеклянные баллоны объёмом
250 мл (в другой конструкции - 500 мл) с параллельными 5 (или 7) пластинами
из нержавеющей стали. Общая площадь анода - 250 см2. Электролиз
проводится до конечного объема 7 мл. Плотность тока в начальный момент
около 28 мА. Начальная концентрация электролита - 1% KOH. Общее время
электролиза не превышало 5 суток.
Дозиметрическая съёмка, СО2, Н2, некоторые химические элементы
Дозиметрическая съёмка проводилась с применением радиометра СРП-88.
Газы измерялись переносным инфракрасным датчиком СО2 – ПГА-7. Водород
определялся датчиком водорода ГДВ-1, разработанный в МИФИ.
Для химического анализа пробы вод с грязевых вулканов
транспортировались в лабораторию Краснодарского Технического Колледжа,
где проводился анализ фотоэлектроколориметрическим методом. Погрешность
измерений составляла не более 10%. Измерение ртути проводилось на приборе
"Юлия-2" с погрешностью не хуже 20%.
Все воды отбирались из озёр и грифонов, расположенных на территории
вулканов.
Результаты измерений
Измерения на Шуго
Проведённые радоновые съёмки территорий грязевых вулканов показали
повышенные концентрации почвенного радона вблизи слабоактивных выходов
и пониженные концентрации радона возле активных сопок (Рис.1б). Съёмка
проводилась с применением нитратцеллюлозных плёнок в качестве детекторов
альфа-частиц. В работе [1] авторы связывают зоны низких значений эманаций
с сильным разбавлением последней концентрированными потоками газов5
носителей, в частности, водородом. Интенсивный выход газа, в качестве
примера показан в одном из грифонов вулкана Шуго.
Газовая (СО2) съёмка с шагом 10 м на территории вулкана показала
возрастание концентраций СО2 в почве действующих сопок и грифонов. В них
концентрация СО2 возрастала до 10,0 об.%. Минимальные значения были около
1,00 об.%. Дозиметрическая съёмка, проведённая на разных вулканов с шагом
10 м, показала, наоборот, уменьшение мощности дозы возле активных сопок.
Среднее значение мощности дозы на вулкане Шуго было 0,12мкЗв/ч. Возле
активных сопок эта величина понижалась до 0,06млЗв/ч.
Измерения СО2 в воздухе над активными сопками показали сильные
изменения концентраций этого газа от часа к часу. Измерения содержания
радона в почвенном воздухе рядом с грифонами с применением
автоматических полупроводниковых датчиков показали наличие заметных
вариаций радона возле действующих сопок. В изменениях почвенного радона
наблюдается понижение концентрации ночью и повышение её днём. Колебания
(в пределах 0,5 0 С) были обнаружены при измерения температуры сопочной
воды.
Измерения на Гнилой и Миске
В озере на горе Миска отбирались пробы для измерения в них трития,
радона и некоторых химических элементов. На вершине, на территории
телерадиопередающего центра, располагался детектор почвенного радона.
Многолетние измерения радона в почве на горе миска показала сильные
вариации концентрации радона в почве. «Всплески» активности радона
наблюдались за несколько дней (от 2 до 5) перед региональными
землетрясениями. Активность радиоэлементов в экстракциях составляла 0,53
Бк/г для 40К, 0,03 Бк/г для 226Ra и 0,01 Бк/г для 232Th. Погрешность не
превышала 10%. Аналогичные результаты были получены и на других
вулканах.
Отбор проб для химического анализа осуществлялся и на Гнилой.
Измерения показали высокую нестабильность химического состава сопочных
вод в течение суток [10]. Были получены характерные часовые изменения
элементов в воде озера на территории Гнилой в течение нескольких суток в
2003 году. Изменения концентраций химических элементов в течение суток на
всех повторяющийся характер и позволили нам объединить их в две группы. В
изменениях концентраций Pb2+, Cu2+, Zn2+, Cr3+, Hg2+ наблюдается понижение
концентраций в ночное время и повышение в дневное время. Для I-, F-, Clнаблюдается обратная картина. Можно сказать, что активность катионов
6
повышается днём, а анионов - ночью, то есть, вероятно, имеет место влияние
астрофизического фактора - солнечно - лунные (возможно, приливные)
явления. Приливные явления приводят к возникновению деформаций в земной
коре. Тогда предположительно изменение химического состава связано с
деформационными процессами и может служить индикатором напряжённодеформированных состояний горных пород.
Усреднённые за периоды наблюдения (3 суток) значения концентраций
химических элементов в течение года показывают, что присутствую и сезонные
изменения химического состава (концентрации повышаются в летний период),
хотя менее ярко выраженные, чем суточные.
Дозиметрические измерения на Гнилой и Миске показали аналогичные
измерениям на Шуго результаты.
Тритий в водах вулканов Тамани
Полученные результаты содержания трития в сопочных водах показывают
изменения концентраций указанных элементов в зависимости от времени
отбора проб. Эти изменения совпадают с изменениями метеоусловий, в
частности с изменениями количества осадков. В их отсутствие содержание
трития приближается к нулю (ниже порога чувствительности нашей системы).
Одновременно отбирались пробы воды в некоторых расположенных недалеко
от исследуемых вулканов гидрологических объектах - в Азовском море, реке
Кубань и др. Результаты измерения трития приведены в Таблице 1(см
Приложения).
Отметим, что во время отбора проб особое внимание уделялось изоляции
их от внешней влаги. Так как корни грязевых вулканов связаны с меловыми
отложениями и майкопской глинистой толщей, а жерла вулканов пронизывают
все вышележащие породы, являющиеся в разной степени раздробленными и
включающие проницаемые пласта, следует считать воды грязевых вулканов
смешанными. Наличие изотопов космогенного (атмосферного) происхождения
в этих водах это подтверждает; однако малое количество этих изотопов
свидетельствует о слабой связи грязевулканических вод с инфильтрационными.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, начатые измерения показывают высокую нестабильность
химического и изотопного состава вод грязевых вулканов Краснодарского края
в течение суток. Эти изменения могут служить индикаторами изменений
напряжённо-деформированных
состояний
горных
пород.
Подобная
информация важна для прогноза региональных землетрясений, активизации
7
грязевого вулканизма, изучения строения грязевых вулканов. Измерение
почвенного радона на территории грязевых вулканов необходимо при контроле
грязевулканической активности.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что методы ядерной
аналитической химии могут быть успешно применены для прогноза
землетрясений и увеличения активности грязевых вулканов, а также для
гидрогеологических и экологических задач.
В итоге, алгоритм прогнозирования опасных геологических процессов
заключается в ряде следующих экспериментов:
1) мониторинг радона в почве;
2) измерение радона воде;
3) получение и изучение гамма спектров;
4) измерение трития;
5) проведение дозиметрической съёмки, СО2, Н2, некоторых химических
элементов;
6) мониторинг трития в водах грязевых вулканов.
Полученные данные обрабатываются и на основе проведённых анализов
составляется прогноз опасных геологических процессов.
Дальнейшего изучения требует обнаруженное различие в суточном
поведении анионов и катионов. Внимание должно быть уделено и
непрерывному мониторингу трития, 22Na, 85Kr, измерение которых может
оказаться полезным в решении большого числа гидрогеологических задач.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Левченко В.Т., Черницина А.И., Целютина И.В. Грязевые вулканы
Тамани – реальная угроза возникновения чрезвычайных ситуаций и катастроф.
Разведка и Охрана недр.1996, 6, С. 24-27.
2. Левченко В.Т. Гидрохимические особенности вод грязевых вулканов
Таманского полуострова. Тез. докл. на междунар. конф. "Проблемы
региональной тектоники Северного Кавказа и прилегающих акваторий",
Геленджик, 1997. С. 83-84.
3. Andrews J.N., Kay R.L.F., Natural production of tritium in permeable rocks.
Nature. 1982. Vol. 298. P. 361-363.
4. Quick J.E., Hinkley T.K., Reimer G.M., Hedge C.E. Tritium concentrations in
the active Pu'u O'o crater, Kilauea Volcano, Hawaii: Implications for cold fusion in
the Earth's interior. Phys. Earth Planet. 1991. Inter. 69, P. 132-137.
5. Рудаков В.П., Войтов Г.И., Коробейник Г.С., Миллер Ю.М.
Нестабильность химического и изотопного состава углеродных газов и
8
эманаций грязевого вулкана Бугазский на Тамани. Доклады Российской
Академии Наук. 1998. Сер. Геофизика. Ч. 361. №3. С. 397-401.
6. Nevinsky I., Nevinsky V., Panyushkin V., Ferronsky V., Tsvetkova T. An
attempt to determine the tritium, 22Na, 36Cl and radon in territory of mud volcano in
Taman. Rad. Meas. 2001.Vol. 34. P. 349-353.
7. Nicolaev V.A., Ilic R.. Etched track radiometers in radon measurements: a
review. Rad. Meas. 1999, 30, P. 1-13.
8. Fleischer R.L. et al. J.Geophys. Res. ,1978, 83, P. 3539-3549.
9. Tsvetkova T., Nevinsky I., Nevinsky V., et al. Experience of working with
SSNTDs in Caucasus: a survey. Radiation Measurements. 2004, 38, P. 263-269.
10. Цветкова Т.В., Невинский И.О., Невинский В.И., Железняк Г.С. и др. О
нестабильности химического и изотопного состава подземных вод
Краснодарского края. Водные ресурсы. 2005, Том 32, №1, С.90-99.
11. Т.В. Цветкова, Б.Д. Суятин, И.О. Невинский и др. Изотопные
исследования грязевых вулканов Таманского полуострова. Вестник
Краснодарского регионального отделения Русского географического общества
(№7, 2013г).
12. Э.В.Шпольский, Атомная физика, т. I, II, 1974.
9
ПРИЛОЖЕНИЕ
Бк/л
Измерения на вулкане Шуго.
10-11.05.2013 Шуго
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
1
5
9
Rn
13 17 21 25
час
10
Таблица 1 - Результаты измерения трития в сопочных водах грязевых вулканов
Тамани и других объектах
Объект
Дата
отбора/содержание
Т,
ТЕ
Ки/л*10-12
р.Кубань,
близь 27.06.2015
Темрюка,
8,7 ± 0,6
поверхностный
1,9
слой воды
Гнилая,
сопка
Дата
отбора/содержание
Т,
ТЕ
Ки/л*10-12
03. 08. 2015
27 ± 11,2 ± 0,8 35,8 ±
2,6
северная 27. 05. 2015
03. 08. 2015
1,2 ± 0,3 3,8 ± 1,0 0,4 ± 0,3 1,3 ± 1,0
Гнилая,
вулканическое
озеро
27. 05. 2015
03. 08. 2015
4,8 ± 0,4
15,4 ± 2,1 ± 0,3 6,7 ± 1,0
1,3
Миска,
вулканическое
озеро
27. 05. 2015
03. 08. 2015
7,2 ± 0,5
23,0 ± 6,0 ±0,5
19,2 ±
1,6
1,6
Миска, грифон на 27. 05. 2000
территории музея
0,8 ± 0,3 2,6 ± 1,0
03. 08. 2000
< 0,3
< 1,0
Голубитская,
27. 05. 2015
03. 08. 2015
озеро на берегу 8,2 ± 0,6
26,2 ± 8,1 ± 0,6
25,9 ±
Азовского моря
1,9
1,9
Азовское
море, 27. 05. 2015
03. 08. 2015
рядом
9,1 ± 0,7
29,1 ± 10,2 ± 0,8
32,6 ±
со ст.Голубитской, 2,2
2,6
Дата
отбора/со
держание
Т,
ТЕ
Ки/л*10-12
20.
10.
2015
10,6 ± 0,8
33,9 ± 2,6
20.
10.
2015
1,0 ± 0,3
3,2 ± 1,0
20.10.201
5
5,1 ± 0,4
16,3 ± 1,3
20.
10.
2015
7,0 ± 0,5
22,4 ± 1,6
20.
10.
2000
0,5 ± 0,3
1,6 ± 1,0
20.
10.
2015
9,4 ± 0,7
30,0 ± 2,2
20.
10.
2015
9,8 ± 0,7
11
31,4 ± 2,2
поверхностный
слой
Шуго,
северо- 28. 05. 2015
западный грифон
0,7 ± 0,3 2,2 ± 1,0
04. 08. 2015
< 0,3
< 1,0
22.
10.
2015
0,8 ± 0,3
2,6 ± 1,0
мг/л
3
2
1
0
мг/л
Измерения на вулкане Гнилая и Миска
0,3
0,2
0,1
0
Zn
Cu
12