Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерное отражение в поле радона изменения напряженно-деформационного состояния литосферы по разные стороны от критической широты

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Закономерное отражение в поле радона изменения напряженно-деформационного состояния литосферы по разные стороны от критической широты"

РГБ ^

)СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

АНОХИН Игорь Николаевич

УДК 550.343

ЗАКОНОМЕРНОЕ ОТРАЖЕНИЕ В ГОЛЕ РАДОНА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЛИТОСФЕРЫ ПО РАЗНЫЕ СТОРОНЫ ОТ КРИТИЧЕСКОЙ ШИРОТЫ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА • 1995

Работа выполнена в Московской геологоразведочной академии

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Бондаренко Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

академик АЕН, И*Ю РАН Гшбурцев Аварий Григорьевич

доктор технических наук, профессор ВНИИГеофизика Веселов Константин Евграфович

Ведущая организация: кафедра геофизических исследований земной

коры МГУ

Защита состоится ¿•¿¿^/•'^ 1995 г. в час.

на заседании специализированного совета Московс-

кой государственной геологоразведочной академии (МГГА) в помещении МГГА но адресу: 117435,г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, ауд. 6 '3%.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА по адресу: 117485, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23.

Автореферат разослан " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Ю.И. Блох

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Учеными давно замечены некоторые иоиОеннооти тектонического и геодинамического режимов Земли. Глубинные разломы- имеют , главным образом, субширотное и субмеридиональное простирания. А наиболее сейсмоактивные пояса находятся в зоне 30+40 параллелей и вблизи экватора.

Одной из теорий, объясняющих подобное строение литосферы, является теория М.В. Стоваса. Она гласит, что в литосфере имеется критическая 135° широта, при переходе через которую главные напряжения, вызываемые изменением ротационного режима Земли, меняют знак.

Хотя эта модель согласуется с настоящим геодинамическим состоянием литосферы, она еще не получила экспериментального подтверждения.

Одним из наиболее дешевых и доступных методов исследования напряжений в верхней части земной коры является мониторинг вариаций радонового поля.

Начиная с середины двадцатого века, по аномальным концентрациям радона производится картирование тектонических разломов, оползней, карстовых образовании, а также прогноз землетрясении и горных ударов в шахтах. При подобных исследованиях радоновый метод дает неплохие результаты. Но незнание зависимости вариаций радоновыделения от изменения деформаций в породах может привести, и зачастую приводит, к ложным вьгеодам.

Так, во время подготовки землетрясений,при постоянном увеличении деформаций в очаговой зоне, концентрация радона сначала возрастает до определенного уровня, а затем падает ниже фоновых значений. Следовательно, не зная физической сути процесса радоновыделения под действием деформирующих нагрузок, нельзя надеж-, но идентифицировать радоновые предвестники землетрясений.

На радоновыделение влияет множество внешних факторов,одними из которых являются метеорологические. Многие авторы, исследуя эту проблему, приходили к разным, а иногда и противоречивым, выводам. Однако, ввиду того ,что'метеорологические факторы могут создавать в поле радона значительные аномалии (до десятков процентов), проблема учета этих помех требует решения.

Таким образом, актуальность проблемы определена необходимостью экспериментального доказательства наличия критической широты напряженного состояния литосферы , и выявления зависимости радоновыделения от напряженного состояния пород и других факторов, что даст возможность решать геодинамические задачи.

Цель работы. Выявить закономерность радоновыделения от из-

менения напряженно-деформационного состояния пород и на экспериментальном материале, полученном в разных частях планеты, подтвердить наличие критической широты (¿35°), а также объяснить специфическую форму радоновых предвестников землетрясении.

Задачи исследований. В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

- проанализировать результаты ранее выполненных исследований по использованию поля радона для решения геодинамических задач,

- выявить закономерность изменении концентрации радона от колебании угловой скорости вращения Земли путем анализа временных рядов радоновыделения,

- на экспериментальном материале по радоновыделению и сейсмичности доказать наличие северной критической широты,

- создать модель эманирования пород под воздействием на них внешней нагрузки,

- установить и промоделировать зависимость радоновыделения от метеорологических факторов (атмосферного давления и температуры приповерхностного слоя воздуха),

- объяснить бухтообразнуто форму полученных экспериментально радоновых предвестников крупных сейсмических событий.

Фактическая основа работы. Б основу положены результаты 3-летних наблюдений за концентрацией радона в приповерхностном слое почвы на режимной станции в г. Москве .Там же измерялись атмосферное давление и температура воздуха.

Кроме того в процесс обработки привлекались фактические данные о концентрации радона и метеорологических параметрах американских исследователей Чи-Ю Кинга и В.Ф. Либби, проводивших эксперименты в Центральной и Южной Калифорнии.

Данные об изменении длительности земных суток черпались из бюллетеней Парижской обсерватории за 1975-78 г.г. и "Всемирное время и координаты полюса" ИМВП за 1985-92 г.г.

Также в диссертации использовались данные о землетрясениях из "Сейсмологических бюллетеней" за 1985-87 г.г.

При вычислениях сезонных вариации напряжений, вызываемых в горном массиве неравномерным вращением Земли, автор воспользовался расчетной моделью М.В. Стоваса.

Для построения моделей радоновыделения под действием различных факторов, были обобщены и проанализированы литературные данные по мониторингу радона (Бондаренко В.М. .Рябоштан Ю.С., Султанходжаев А.Н. .Рудаков В.П.,Абдувалиев А.К.,Христич В.Д., Гаспарян Р.К., Булашевич Ю.П., King- Chi-Yu, Birchard 6.F., Libby W.F., Shapiro M.H., Melvin J.D., Adams T., Singh M., Wang

N.Н. и др.), геодинамике (Стовас М.В.. Гусева Т.В., Мишин A.B.. Белов Н.И.. Мячкин В.И., Соболев Г.A., Zhang В., Schols С.Н., Svres L.R. и др.), инженерной геологии (Бондаренко В.М., Викторов Г.Г., Демин Н.В., 1'удзенко В.В., Дубинчук В.Г.- и др.), информатике (Никитин A.A. и др.), механике грунтов ( Спивак А.И., Левин С.В., Kristiansson К., Malmqvist L., Yarhegyi А. и др.) и прогнозу землетрясений ( Уломов П.И..Мавашев В.З., Чалов П.И., Рудаков В.П., Абдувалиев А.К., ТузоваГ.В., Султанходжаев А.Н., Войтов Г.И.. Masaaki J. и др.).

При проведении статистической обработки экспериментальных данных, а также для расчета числовых моделей, автором были разработаны оригинальные алгоритмы, реализованные на ЭВМ.

Явпщщаемые положения:

- '-/шаруженная в экспериментальных временных рядах концентрации подпочвенного радона низкочастотная (годовая) составляющая обусловлена изменением напряженно-деформационного состояния литосферы за счет переменной угловой скорости вращения Земли, а не вариациями атмосферных параметров (температуры и давления),

- выявленные ранее неизвестные ассиметричные параболические зависимости темпа радоновыделения и частоты землетрясении от напряжений в породах экспериментально подтверждают ранее теоретически обоснованное наличие критических широт (±У5°) инверсии напряженно-деформационного состояния литосферы при изменении ротационного режима Уемли,

- установленные параболические зависимости во временных рядах концентрации подпочвенного радона от деформаций пород на качественном уровне объясняют конфигурацию радоновых предвестников земпетрясении.

Практическая значимость. Установленная зависимость изменения концентрации радона от вариации угловой скорости вращения Яемли позволяет исключать из полей радона "ротационные" аномалии, и дает возможность в каждой конкретной точке Земли изучать только локальные геодинамические процессы.

При долговременных наблюдениях поля радона воздействие метеорологических (факторов возможно исключать простым сглаживанием.

Понимание появления специфической формы радонового предвестника землетрясений даст возможность с высокой точностью определять место, время и магнитуду готовящегося сейсмического события.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 научных работах, было изложено в докладах научных конференций

"Профессорско-преподавательского состава .научных сотрудников, аспирантов и студентов Московской государственной геологоразведочной академии" 1УЯН, 1УЧ4 и 19У5 годов и Первого Международного семинара "Напряжения в литосфере (глобальные,региональные, локальные)" 1994 года.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 137 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 35 рисунков. Список литературы насчитывает 56 наименований. Она содержит 5 глав, введение и заключение.

Во введении приведена общая характеристика диссертации, обоснована актуальность проблемы, цель и задачи. исследований, сформулированы основные защищаемые положения, охарактеризована научная новизна, практическая значимость полученных результатов .

В первой главе дан краткий анализ существующих теорий о влиянии вариаций угловой скорости вращения Земли на напряженно-деформационное состояние литосферы; методик изучения радонового поля при решении различных геодинамических задач, в том числе при прогнозе землетрясений; представлений о влиянии метеорологических факторов на радоновыделение; и, на основе этого анализа, дано обоснование проблемы.

Во второй главе представлены геодинамические модели радо-новыделения из горных пород под действием глобальных "ротационных" напряжении и метеорологических факторов.

В третьей главе приведен анализ временных рядов поля радона с целью доказательства наличия критическом широты напряженно-деформационного состояния литосферы ,и выявления зависимости радоновыделенкя от напряженного состояния пород.

В четвертой главе представлено дополнительное доказательство наличия критическом широты путем анализа временных рядов частоты землетрясений.

В пятой главе дано объяснение формы радонового предвестника землетрясении на основе моделей поля деформации очаговой зоны и параболической зависимости радоновыделения от напряженного состояния пород.

В заключении перечислены основные результаты выполненных исследований.

В своих исследованиях автор опирался на достижения теории и модельных построений, системного и статистического анализа в геофизике ( В.М. Бондаренко, М.В. Стовас.Л.А. Виноградов, В.П. FVflaKOB, A.A. НИКИТИп,А.К. Абдувсчшев и лу.}—

При проведении научно-исследовательских работ советы и замечания научного руководителя профессора Бондаренко В.М. спо-

гч/х'.твпвади становлению научного направления автора и совершенствованию раОоты.

«втор считает г.пат долгом поблагодарить за помощь и консультации при выполнении научны-' исследовании профессоров Uep-дюкову A.C., Демуру Г.В., Никитина A.A. и всех сотрудников кафедры ЯРМиГИ Московской государственной геологоразведочной академии.

Ниже излагается краткое содержание работы в соответствии с защищаемыми в ней положениями.

подержание работы

L Обнаруженная в экспериментальных временных, рядах концентрации подпочвенного радона низкочастотная <годовая) составляющая обусловлена изменением напряженно-деформационного состояния литосферы за счет переменной угловой скорости вращения немли, а не вариациями атмосферных параметров (температуры и давления).

I ^основание первого защищаемого положения изложено в разделах l.y, у.у., н.г. I, а,'¿,2 .

Н{*-)циг.п эманации сложный, зависящии от многих факторов. Влияние переменных в пространстве петрофизических и геологических условии исключалось путем использования данных о концентрации радона на стационарных станциях. Известны девять переменных во времени Факторов, способных оказать влияние на ра-доновыделение : изменение ротационного режима Земли, сейсмичность, приливные изменения силы, тяжести, другие деформации грунтов (в том числе и техногенные).вариации уровня грунтовых вод, колебания температуры атмосферного воздуха и грунтов,вариации атмосферного давления,осадки,промерзание и оттаивание грунтов.Одни из этих факторов носят вероятностный характер и поэтому трудно изучаемы ; другие маломощны ; третьи зависимы от других или вообще неактуальны для большинства территорий земного шара. Наиболее общими являются три. основных постоянно действующих фактора аномального радоновыделения: изменение угловой скорости вращения Уемли, атмосферного давления и температуры приповерхностного слоя воздуха.

Расчетная модель распределения деформирующих сил по широте при изменении длительности суток (Стовас М.В.) включает в сеоя полную деформирующую силу Рг, которая на критической широте (±35°) направлена по касательной в меридиональном направлении и численно равна тангенциальной силе F« ,и радиальную деформирующую силу Fr , на критической параллели равную нулю. На полюсах

и экваторе полная деформирующая сила равна радиальнои.а тангенциальная рлвна 0. Изменение радиальном деформирующей силы при и.чменении угловой скорости вращения вызывает сопряженное изменение радиус-вектора эллипсоида и,следовательно,сопряженную деформацию pr.ftx его параметров, т.е. появление критических параллелей . Сила Fr вызывает объемное расширение (или объемное сжатие,) пород и создает упругие деформации (главные напряжения ) во всем ооъеме Земли. Теоретически показано, что для главных напряжении 61,62,63 и объемного расширения à пограничной линией перемены знака напряжении и изменения объёма в сферическом слое ярдяется 35-я параллель. Главное напряжение 62 действует перпендикулярно меридиональном плоскости в широтном направлении и при увеличении сжатия вызывает широтное сжатие слоя в высоких широтах (от полюсов до 35°) и одновременно широтное растяжение слоя в низких широтах (от 35° о.ш. до 35° ю.ш.). Главное напряжение 61 действует в меридиональном направлении и при увеличении сжатия направлено как от полюсов, так и от экватора к У5° и растягивает экваториальную зону в меридиональном направлении, главное напряжение 63 действует по направлению радиус-вектора и при увеличении сжатия сжимает слои от полюсов до У5° и одновременно растягивает его в области экватора,образуя экваториальное рядутие.изменение объемного расширения Л и главного напряжения 63 вызывает сопряженные вертикальные движения корового слоя по разные стороны от 35-й параллели.

Для экспериментального доказательства указанных теоретических положении анализировали реальные временные ряды концентрации радона, изменения длительности суток,температуры приповерхностного слоя воздуха и атмосферного давления, полученные из шести независимых источников.

пдна режимная станция находилась в Москве (Россия) и имела координаты 56° с.и. и в.д. а-активность дочерних продуктов пассивного потока радона измеряли с 1 января 1У91 г. по У1 декабря 1ШЗ г. Далее станция называется "Москва".

И Центральной Калифорнии (США) 6D режимные станции по измерению концентрации радона трековым методом располагались группами по 1-6 станции вдоль суомеридиональных разломов (Оан-Анд-Р^яс, хяиуорд и др.) [Chi-Yu KirijjJ. На '¿-у группах самых северны* станции ([45,4b,50] с координатами н7,Vo с.ш. и 122,1°

в.д., и [55,56,57,581 с координатами 38,4° с.ш. и 122,1° в.д.), концентрацию радона измеряли с октября 1976 г. по декабрь 1У78

г. В дальнейшем группу станции [45,46,50] будем называть "Север". на оямои южной группе станции [25-60], расположенной непосредственно на критической широте 35,8°, измерения проводили

<•■ июля 1 ч?5 г. по декяпрь 1978 г.Нти станции далее будем называть "Центр".

Данные о температуре впядуя) ятмооф^рном давлении, уровне о^адк^в и землетрясениях в период с мая 1У75 г. по декабрь 1478 г. получены в г.—"ан-хосе ( гагат Калифорния,США. 37,5° о.га. и 1Р.д.».

Н 1"жнои Калифорнии '.США) на режимнои станции N1^ с координатами с.ш. и 116,32° В.д. ГВ1гГ)ап1 У.Р. и ЫЬЬу ИТ.], кптпр]ф дячее оудем называть "Юг" , концентрацию радона измеряли с 1 января 1975 г. по Б мая 1Ч7Ч г.

Для выделения низкочастотной составляющей из экспериментальных данных концентрации радона, а также выяснения причин ее появления, при оораоотке онл применен спектральный <м<яяпа. Расчет спектра произведен на :->ВМ по разработанной автором программе, г. использованием метода разложения дискретно заданного сигнала по периодическим функциям синусов и косинусов [Никитин А. АЛ.

нажимные наблюдения за температурой приповерхностного слоя воздуха и изменением атмосферного давления проводились на станциях "Москва","|!евер" и "Центр".Для станции "№",расположенной примерно нч коп км южнее станции "Север", приняты (Тазовые изменения температуры и давления аналогичные станциям "Север" и "Центр" ,в соответствии г. фактическими данными ['Справочник геофизика] . Синурпннпгтт! фазовых изменении двух параметров не исключает их возможного амплитудного различия, что для дальнейших наших рассуждении не существенно.

Но реяультятам спектрального анализа во временных рядах всех станции выделены гармоники с периодом Ь2 недели (рис. 1). Исключение составляет лишь гармоника Ц2 с периодом 73 недели, базовые сдвиги гармоник Г1,Р1,Д1 относительно 02 составляют -3,23,22 недели соответственно,и относительно Ю2 83,-Я,-4 недели соответственно. Анализ гармоник Т1,Р1,Д1,С2 и Ш показывает, что они на*одятся либо в фазе , либо в противофазе с небольшими одригами. Выявленные фазовые сдвиги Т1,Р1,Д1 относительно С2 и Ш приводят к выводу,что низкочастотная аномальная составляющая радоновыделения не обусловлена низкочастотными колебаниями температуры приповерхностного слоя воздуха и атмосферного давления. В противном случае пришлось бы предположить,что Т° и Ратм оказывают прямо противоположное влияние на радоновыделения на станциях.расположенных на расстоянии несколько сотен километров одни от других,при условии синхронности изменении (фаз зтих_ параметров. Единственный параметр, т.е. изменение длительности суток, ооуг,повтвзет пряиопротнъпположте изменение напряженного

г,-С , , •

--^Л'Л^Л

■п. у [у? _^

р„я,нйщ' ,¡1, I

1011 -

Рис. 1.. Низкочастотные (годовые; составляющие , выделенные из экспериментальных дан-нм*:

а - минимальная м'емпературя воздуха за неделю , присутствует г.чрмоника Т1; б - ят-мпгирерное дявлени^, вреднее вя неделю,Р1; в. - вариации ддите.пь-жяури суток,Д1; г,Д,е - концентрации радона на станциях: г - "Се-нг|Г'.С?; Д -"Ц«нтр'\Ц2

м? периодом УЯ Нед.) ;

е - "К1г".!0^; 1 - фактические данные, Я -выделенные гармоники.

1006

/СЬ Л-1

II

г

ч М V ^ \ /> ' Ч / '

о -50-

-200' Ска Лчх/юЫ

э

12-

ахи

.пТ^И ь^ ^ и !! 1

е- АЖ Л\ п С'

п__сУ_"'I > _

1373 г. 1 1976 г.

1377г.

157 8 г.

состояния пород,находящихся по разные стороны от критическом широты 35°зпри одинаковой угловой скорости вращения Земли (длительности суток,).Следовательно,знак низкочастотных аномальных поставляющих концентрации радона, вызванных изменением ротационного режима Земли, севернее и южнее 35° с.ш. должен Рыть различным, что полностью согласуется с полученными результатами.

При разложении в спектр временного ряда радоновыделения на станции "Центр" (36° с.ш.), находящейся в непосредственной близости от критическом широты (то есть ротационные деформации близки к нулю), гармоника с периодом 52 недели или с близкими периодами не выделена (рис. 1,д). Следовательно, низкочастотные колебания температуры воздуха и атмосферного давления существенно не влияют на радоновыделение.

Модемное рассмотрение зависимости радоновыделения от изменения метеорологических факторов показано, что сезонные вари-■чттут атмосферного давления и температуры приземного слоя возду-"я не мпгут влиять на концентрацию радона.

В тектоническом зоне, на г .т/Лине первых десятков метров находится гяяоняполненнни коллектор, предогявляющии собой объем более разуплотненных пород,чем его окружающие, и являющийся источником радона. Между глуоинои измерении (около метра) и коллектором расположена переходная среда, отвечающая за сохранение равновесия внутри тектонической зоны, то есть черед лемнум поверхность должно *ыде.литг:я столько радона-, сколько его еышло т источника.

Так как метеорологические факторы воздействуют только на приповерхностную часть грунта и не проникают на глуоину коллектора, то на сезонные колебания атмосферного давления и температуры воздуха реагирует переходная зона, сохраняя постоянным количество выделяющегося с поверхности радона.

При короткопериодных (до недели) вариациях барометрического давления, переходная среда не успевает реагировать на них, что отражается в поле радона значительными (до десятков процентов ) аномалиями противоположного знака. Причем установлено, что величина этих аномалии прямо зависит от пористости пород тектонической ЙОНЫ.

Термпупругие деформации, вызываемые высокочастотными вариациями температуры приземного слоя воздуха,не могут влиять на рядочовыделение потому, что на глуоине измерении они крайне незначительны.

II. Выявленные ранее неизвестные ассиметричные параболические зависимости т^мпа радоновыделения и частоты землетрясении от напряжении в породах экспериментально подтверждают ранее теоретически обоснованное наличие критических широт (±35°) инверсии напряженно-деформационного состояния литосферы при изменении ротационного режима Земли.

Обоснование второго защищаемого положения изложено в разделе а.1 и главах Ш и ГУ.

Для выявления регрессионной зависимости концентрации радона ÜRn от изменения длительности суток /АО на станциях "Моек- -ва","Север","Центр" и "Юг" проведена предварительная обработка данных в виде сглаживания и группирования. Одновременное сглаживание временных рядов радоновыделения и длительности суток проводили с равными окнами. Корреляционный анализ проведен с помощью программы Super Repressor. Полученные регрессионные зависимости представляют сооои параболы вида (рис. 2):

Рис. 2. Нормированные параоолы регрессии cRn от Ad.

Радоновые станции: а-"Мооква", б-"Певер",в-"Юг", г- 55-58 LKingJ j д- по данным LShapiro]

-50

'■5

-100

-50

О

для станции для станции

для станции где

- 0.5906 • d - 0.005 • d'

- 1.074-d - 0.0127-d" + I.078•d + 0.0087-ds

Москва " CRn ~ u-Север " cRn - 0. Юг " cRn - 0.

di - £>L>i - Dcp, 4m i " < KRni-'!Rn(DCp)] / CRntDcp) У * 100 Z.

При обработке данных станции "Центр" устойчивой регрессионной зависимости радоновнделения от изменения длительности яемных суток получено не было.

Для подтверждения надежности выявленной параболической зависимости, проводилась обраоотка данных радоновых станции 55-58 Cohi-Yu King] и „скважинных измерении концентрации радона CShapiro М.N.Meivin J.D.] (координаты скважины 84^8,3* о.¡п. и 118°10,3' в.д.J. И в обоих случаях получены уравнения регрессии параболического вида. Соответственно:

CRn - 0. - 0.788-d - 0.0004^2.

crd - 0. + 0.81-d + 0.008-d2 .

На всех пяти станциях сохранилась параболическая форма зависимости изменения концентрации радона от вариации длительности суток. Причем, на станциях , расположенных выше критическои А5-ои параллели, параболы выпуклые, а ниже - вогнутые, что говорит об инверсии напряженного состояния пород при переходе через критическую широту^ На самой критическои широте, где ротационные деформации минимальны, зависимость концентрации радона от изменения ротационного режима Земли не выявлена.

Чтобы понять физическим смысл появления параболической

|^юрмы зависимости концентрации радона от ротационных деформации, предложена геодинамическая модель радоновыделения тектонической зоны, состоящая из нескольких последовательных этапов.

расчетные значения главных напряжении 61 и 62, возникающие в породах вследствие уменьшения длительности суток на одну миллисекунду, составляют от -90 МПа на полюсах до 45 МПа на экваторе, На критической широте они равны О.

анализ изменения механических, физических свойств пород и порового давления под действием региональных напряжении показал, что зависимость порового давления от сжимающих деформации также имеет параболическим вид.

Используя модель транспортировки атомов радона к поверхности посредством пузырьков более легких газов, удалось установить, что скорость переноса радона пузырькайк прямо зависит от порового давления.

Под действием крупномасштабных сил, в том числе и обусловленных неравномерным вращением Земли, внутри тектонической зоны, на некоторой глубине, образуется область сильно разуплотненных пород (.дилатансная зона), в которой происходит накопление геогазов. Низкочастотные составляющие в поле радона тектонической зоны ооусловлены действием региональных сил только непосредственно на газонаполненный коллектор.

Когда относительное напряжение в зоне дробления равно нулю, то егть порода находится в состоянии относительного равно-ресия , концентрация радона В верхних слоях почвы имеет некоторое среднее значение, оно отражает величину статического напряжения породы , ее нормальную пористость , ПЛОТНОСТЬ , коэффициент диффузии , уровень грунтовых вод и многих других характеристик данного геологического разреза.

При увеличении сжатия концентрация радона в приповерхностной олое грунта равномерно возрастает за счет уменьшения объема пор р коллекторе, нто продолжается до того момента, пока в разуплотненных породах не появляются зоны пластических деформации. В атих зонах происходит полное закрытие пор, что уменьшает выход атомов радона из коллектора и , ' следовательно, уменьшает скорость радоновыделения в верхних частях почвы. Ввиду нарастающего преобладания в коллекторе зон пластических деформации, концентрация радона на поверхности, достигнув некоторого максимального значения, примерно 40 % от разрушающего напряжения, начинает медленно, но систематически убывать.

При деформациях растяжения увеличение объема пор в коллекторе вызывает откачку атомов радона из окружающих пород в разуплотненную зону, что уменьшает концентрацию радона в верхних

слоях грунта. Кроме того,в верхним слои почвы всасывается атмосферный воздух. |'}ри большем растяжении в коллекторе открываются новые поры и трещины, что приводит к притоку радона с больших глубин. На земной поверхности это отражается в плавном увеличении концентрации радона.

Таким образом , согласно предложенной модели, зависимость радоновыделения от напряженного состояния пород можно представить совокупностью двух парабол . Выпуклая парабола отражает изменение концентрации радона при сжатии горной породы, а вогнутая - при растяжении, что полноотвю совпадает с .экспериментальными кривыми.

Нкстремумы парабол могут иметь разную кривизну, амплитуду изменения концентрации радона, смещены по оси длительности суток, что объясняется различиями в местоположении, геологических условии своиптвах пород и т.д., но параболическая форма зависимости сохранится.

I! целью дополнительного доказательства наличия критическои широты напряженно-деформационного состояния литосферы проводился анализ зависимостей частоты землетрясении от изменения длительности земных суток на разных широтах.

Для выявления яти* зависимостей была сделана выборка из данных о землетрясениях за 1945-87 г.г. в три временных ряда. В один ряд относились землетрясения,очаг которые находился между 40° и уо° северной или южной широт (в высоких широтах}. Второй включал землетрясения с очагами в зоне критическои параллели (от ял° до 40° северной или южной широт). Третии ряд составили землетрясения, очаги которых находились между Зи° северной и 30° южной широтами (в экваториальной зоне).

регрессионные зависимости относительной "частоты землетрясении от изменения длительности суток получены в виде совокупности нескольких парабол (рис. 3).

После перевода изменения длительности суток в величины возникающих при этом напряжений получаем, что разрядка напряжении в литосфере происходит в высоких широтах, на ±62-ой параллели, и в экваториальной зоне,непосредственно на экваторе. При уменьшении длительности суток на одну миллисекунду на этих параллелях накапливаются одинаковые по значению напряжения, примерно 45 МПа. Однако в высоких широтах в это время происходит сжатие корового слоя, а на экваторе - растяжение.

Расположение экстремумов частоты землетрясений (точки Свш. Реш. Рэ и Сэ на рис. 3_,а,в), происшедших в высоких широтах (индекс "вш") или в экваториальной зоне ("э") ,в момент действия деформации сжатия (С) или растяжения (P), предопределено

несколькими причинами.

Кяк показали инструментальные наблюдения за деформациями пород по всему земному шару, в области высоких широт около Н0% происходящих там деформации приходится на долю деформаций сжатия, а в зоне якватора - примерно такой же процент деформации растяжения., Таким образом получает объяснение то, что частота землетрясении в точка* |?ЕШ и Рэ значительно больше,чем в точках РЕШ и Со соответственно.

Мг> оси напряжении точки экстремумов расположены также с некоторой закономерностью. Максимальная частота землетрясении при растяжении (РЕИ и Р0} в обоих случаях наступает при МПа, а во время

действия деформации сжатия (.0Ет и Сэ) прим^рио при -25 МПа и -20 МПа соответственно. Из этого можно сделать вывод, что причинои появления .экстремумов частоты землетоясении в поле напряжении является распределение физических свойств зон трещиноватостеи . Нто означает, что большинство зон дробления, в которых происходят землетрясения, имеют предел прочности на растяжение порядка 14 МПа, а на сжатие - (20+25) МПа. Однако, еще одним объяснением наличия экстремумов может быть следующее. При таких напряжениях в породах наступает пик упругих свойств и начинают появляться зоны пластических деформации,влеку-

Рис. 3. Корреляционные зависимости частоты землетрясений от изменения длительности суток. Для: а-высоких широт,б-области критической параллели,е-экваториальной зоны. 1-Фактические данные, 2-линии регрессии

пгие замену упругих свойств пород на пластические. Вероятно, к ятому процессу приурочена большая вероятность проявления сейсмичности в зона* разломов.

В зоне критическои широты график регрессии частоты землет-- ряг.ении от изменения длительности суток представляет собой растянутый по оси абцисс V-ооразный минимум,соответствующий локальным минимумам на рис. У,а,в (рис. 3,6). Это следует из того, что в широтах, близких к. критической У5-ой параллели, возникают незначительные напряжения , не позволяющие проявиться экстремумам, подобным 1-:ЕШ,НЕШ)Рэ и Сэ.

Вышеизложенный анализ изменения сеисмическои активности литосферы с изменением ротационного режима может служить еще одним доказательством наличия критическои широты напряженно-де-формчционного состояния земной коры.

IП.установленные параболические зависимости во временных рядах, концентрации подпочвенного радона от деформации пород на качественном уровне объясняют конфигурацию радоновых предвестников землетрясении.

обоснование третьего защищаемого положения изложено в V главе диссертации.

Большинство радоновых, предвестников землетрясении имеют оухтоооразнуто Форму. С некоторого момента ("время предвестника") концентрация радона начинает плавно возрастать. Затем это возрастание становиться более резким. Достигнув определенного максимального значения, концентрация радона стремительно падает ниже фонового уровня. При минимальных значениях концентрации радона или сразу после них происходит землетрясение. После этого наблюдается пикообразныи всплеск в радоновыделении и затем уровень эманации выходит на фоновые значения.

Установленная параболическая зависимость концентрации радона от напряженного состояния пород позволяет понять конфигурацию аномального радоновыделения в период подготовки землетрясения.

В настоящее время развиты две модели нарастания деформации в очаговой зоне: модель "лавинообразного нарастания трещиннова-тости" (ЛНТ) [Mjachkm V.1.,Вгасе w.F..Sobolev а.А.1 и "дила-тантно-диффузионная" модель (Д-Д) LSchols G.H., Sykes L.R., Aggarwal Y.P.].

Основываясь на этих двух общепризнанных моделях нарастания деформации в очаговой зоне (рис. 4,а, о) и используя параооличе-скую зависимость радоновыделения от деформации породы (рис. 4,в), появление аномалий концентрации радона в период подготовки землетрясения можно представить следующим образом (рис. 4,г,д).

лнт А-д

Рис. 4. К модели радонового предвестника землетрясений.

я,6 - изменение деформаций в очаговой зоне по моделям ЛНТ и Д-Д,соответственно; в -зависимость концентрации радона от деформации пород; г,д -аномалии радоновыделения.прёдворяющие землетрясения, восстановленные по моделям ЛНТ и Д-Д,соответственно

Ь период времени 10+4 , то есть.пока деформация породы не станет равна аэ (точке перегиба-параболы) , идет плавное увеличение концентрации радона до своего максимального значения Српэ по закону правой ветви параболы (п.в.). Дальнейшее увеличение

днрормации в период нремени Ьг+Ьо отражается в поле радона уменьшением зманации согласно закону левой ветви паряболы (л.а.). Нто продолжается до тех пор , пока деформация не достигнет критических значении в момент нремени Ьг> что соответствует значению концентрации радона (^пзт. Сразу после сейсмического события (я.т.) происходит резкое уменьшение деформации от £зт до во, что ооусловливает появление в поле радона пика концентрации в момент tз ( когда в-еэ). после чего эманация выходит на фоновый уровень pp.no-

В обеих моделях радоновый предвестник землетрясений имеет бухтообразную форму. Отличие состоит лишь в том, что в модели Д-Д сейсмическому событию предшествует плато минимальных значении концентрации радона, в то время как в модели ЛНТ в момент землетрясения наблюдается .локальный ("точечный минимум"). Пик концентрации радона в момент Ы , уже после сейсмического события, полученный по нашим моделям, проявляется практически во всех экспериментальных данных по радоновым предвестникам крупных землетрясении. Пики могут быть более или менее ярко выражены , что } вероятно , связано с различным протеканием процесса восстановления физико-механических свойств пород, или с различном позицией станции измерении концентрации радона, относительно эпицентров землетрясении.

Следует подчеркнуть, что радоновые аномалии, предворяюшие землетрясения, проявляются в полной мере и могут служить надежными предвестниками только в том случае, если режимные станции находятся на или вблизи оси максимальных деформации очаговой зоны.

- Заключение _ . . _

В итоге научных исследований, проведенных с целью определения зависимости радоновыделения от напряженно-деформационного состояния пород, получены следующие результаты.

1. На основе модели, учитывающей блоковое строение земной коры, рассчитаны главные напряжения, возникающие в литосфере вследствие неравномерного вращения Земли.

2. Обобщены и развиты геодинамические модели радоновыделения из тектонической зоны.

3. Проанализировано влияние на поле радона метеорологических факторов ( атмосферного давления и температуры приповерхностного слоя воздуха ).

4. Нкспериментально доказано ранее теоретически обоснованное наличие критической широты напряженно-деформационного состояния литосферы путем анализа временных рядов радоновыделения

и чистоты землетрясении.

5. Ныянленя неияяестняя ране« аякономерность рядоновыделе-ния от изменения углиной скорости вращения Уемли.

6. На основе интерпретации фактических данных установлено, что сезонные вариации температуры приповерхностного слоя воздуха и атмосферного д^влинии не оказывают влияния на радоновыде-ление. Вне о кочас то т н не вариации атмосферного давления приводят к: появлению короткоиериоднал аномалии концентрации радона противоположного знака.

7. иоъяснена и уточнена форма радонового предвестника землетрясении на основе моделей поля деформации очаговой зоны и параОолическои зависимости рядоновыделения от напряженного состояния пород.

Птпчсок опубликованных раоот по трме диссертации: t. Количественная связь между концентрацией радона и деформациями пород// Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов московской государственной геологоразведочной академии "Новые достижения в науках о Земле"// Тезисы докладов // М., РосГосКомВУ.Ч, Мое, геолог, общество, МГРАДЧУУ ¡.совместно с Вондаренко В.М.) г.. Экспериментальное доказательство наличия критическои широты напряженного состояния земной коры путем анализа временных рядов радоновыделения// Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов Московской государственной геологоразведочной академии "Новые достижения в науках о Земле"// Тезисы докладов // М., РосГосКомВУЗ, МГГДДЙЧ4 (.совместно с Вондаренко В.М.) у. Закономерное отражение в поле радона неравномерности вращения Уемли. Фактический матерная и моделирование //Тезисы докладов 1-го Международного семинара "Напряжения в литосфере". м.,1444,с. 1У-И).(совместно с Вондаренко В.М.) 4. Иоле радона городских агломерации//М..Университеты России,сер. Геология, ч. 2, изд. МГУ,. 1УУ4 (совместно с Вондаренко В.М. и С'авенко Е.И.) ь, о зависимости естественного потока радона из пород от их напряженно-деформационного состояния // Изв. ВУЗов. Сер. Геология и разведка. iy4b,Ny. (совместно с Вондареико В.М.) н. Зависимость частоты землетрясении от изменения напряженного состояния литосферы, вызываемого сезонными вариациями ротационного режима Уемли // Изв. ВУЗов. Сер. Геология и разведка. 1УУГ),N4. (совместно с Вондаренко В.М.)