РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННОГО РАДОНА НА ЮЖНЫХ КУРИЛАХ ЗА 2019–2023 гг.

1. ВВЕДЕНИЕ

Проблема полного прогноза землетрясений, включающего время, место и магнитуду, по-прежнему остается нерешенной и актуальной. Наибольшее практическое значение имеет краткосрочный прогноз [Panteleev, Naimark, 2017]. К настоящему моменту известно лишь два случая реального прогноза землетрясений, на основе которых были осуществлены практические действия по снижению негативных последствий. Это землетрясение в Китае (1975 г.) и Италии (2009 г.) [Fengming, Ge, 1975; Giuliani et al., 2009]. В основе первого прогноза лежат данные по вариациям почвенного радона, изменениям уровня грунтовых вод в скважинах и колодцах и сейсмологические наблюдения [Fengming, Ge, 1975]. Прогноз второго осуществлен по вариациям радона [Giuliani et al., 2009]. Из более двухсот известных физических явлений, рассматриваемых в качестве вероятных предвестников, лишь единицы нашли практическое применение. Фактически наука подошла к черте, когда общество не устраивает затянувшийся поиск предвестников, способных быть основой конкретного прогноза, и ставится задача реального решения этой проблемы, несмотря на ее сложность.

По мнению авторов данной статьи, необходимо использовать явления, вызываемые изменением напряженно-деформированного состояния горных пород в зоне готовящегося события. Достижение критических напряжений в геологической среде приводит к образованию магистрального разрыва – землетрясению. Изменения напряженно-деформированного состояния горных пород непосредственно сказываются на изменении пористости, проницаемости и вызывают трещинообразование. Методов, которые могут предоставить информацию о протекании этих процессов, не так много. Среди них сейсмологические наблюдения, мониторинг изменений в подземной гидросфере и подземной атмосфере. К сожалению, приходится констатировать тот факт, что предвестники, успешно проявившие себя при оперативном прогнозе, часто не привлекают внимание исследователей. Разработанный в Институте геофизики (ИГФ) УрО РАН метод наблюдений за движением жидкости по стволу скважины, который существенно расширил возможности простого измерения уровня столба жидкости, не нашел широкого применения среди российских исследователей. Сейчас этот метод активно разрабатывается китайскими учеными [He, Singh, 2019], хотя именно по температурным наблюдениям в скважине на о-ве Кунашир сотрудниками ИГФ УрО РАН было спрогнозировано землетрясение Тохоку за два дня до события [Demezhko et al., 2012].

Исследование возможностей радона при изучении геодинамических процессов в Институте геофизики начиналось с горных ударов на шахтах [Bulashevich et al., 1996]. После выявления определенных закономерностей появилась возможность применения радоновых измерений для изучения процесса подготовки землетрясений. Были организованы исследования на Северном Тянь-Шане (2001–2004 гг.), а с 2006 г., основным районом для изучения процесса подготовки землетрясений стали Южно-Курильские острова. С 2011 г. ведется практически непрерывный мониторинг объемной активности почвенного радона (ОАР). По результатам обработки данных за период 2011–2018 гг. разработана методика интерпретации и установлены закономерности поведения объемной активности радона в процессе подготовки тектонического события. В основу методики заложен геодинамический критерий – соотношение магнитуды события и логарифма расстояния от точки наблюдения до эпицентра события. При анализе событий с магнитудой более 4 в радиусе 500 км от установки детектора (г. Южно-Курильск) была определена «ближняя» и «дальняя» зона происходящих землетрясений по времени их отражения в ОАР [Kozlova et al., 2021].

Необходимо отметить, что одной из причин малого количества реальных прогнозов на основе радона и температуры является отсутствие, как в данном случае, возможности оперативного получения данных со станций, где проводятся мониторинговые наблюдения. Прогноз по температурным данным землетрясения Тохоку стал возможен лишь потому, что температурные данные со станции «Южно-Курильск» были получены за четыре дня до события (обработаны за два дня) [Demezhko et al., 2012]. Такие случаи носят единичный характер. Как правило, при отсутствии оперативного получения результатов наблюдений возможно только ретроспективное сопоставление предвестниковых явлений и землетрясений. Отсюда следует очень важное условие для осуществления реального прогноза землетрясений – возможность оперативного получения данных с наблюдательных станций.

В настоящей статье приведены результаты обработки и интерпретации мониторинговых измерений ОАР за период 2019–2023 гг.

2. МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Исследования проводились с применением метода адвективной доставки почвенного радона к детектору [Kozlova, Yurkov, 2005]. Принципиальным отличием адвективного режима измерений от повсеместно используемого диффузионного является непрерывная откачка насосом воздуха из почвы с глубины более 1 м через перфорированный на конце зонд и поступление его в регистрирующий прибор (детектор). В адвективном режиме при достижении области откачки границы земля – воздух устанавливается квазистационарное состояние. При этом захватывается часть пространства ниже зонда, что увеличивает эффективный объем горных пород, повышая величину ОАР. Детектор непрерывно регистрирует вариации ОАР в воздухе, который поступает из трещинно-порового пространства массива горных пород. Также при помощи адвективного режима максимально снижается влияние метеорологических факторов на вариации ОАР. В качестве детектора радона использовались приборы Sirad и Radex107.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализировались все землетрясения, произошедшие с 2019 по 2023 г. в радиусе 500 км от станции радонового мониторинга в г. Южно-Курильске (рис. 1).

Рассматривать длительные интервалы времени наблюдений нецелесообразно, так как невозможно выделить особенности поведения ОАР непосредственно перед землетрясением.

При обработке результатов долговременного мониторинга ОАР на станциях Южно-Курильского полигона принцип выделения аномалий был следующий: в качестве аномалии на кривой ОАР рассматривался участок, на котором не менее трех значений ОАР (при измерениях каждые четыре часа) как минимум в два раза превышали фоновый уровень перед началом повышения объемной активности радона. Фоновый уровень ОАР определялся перед каждым конкретным землетрясением, так как он зависит от нескольких факторов (температура, влажность, приливные воздействия и др.).

Для характеристики положения момента сейсмического события на кривой ОАР были определены (рис. 2): продолжительность аномалии (АВ), время от начала аномалии до тектонического события (АГ), время от максимума до события (БГ) и время от конца аномалии до события (ВГ).

На основе деформационной модели И.П. Добровольским [Dobrovolsky, 1991] была выполнена оценка радиуса зоны проявления предвестников и применен геодинамический критерий (K) ≥2.5: отношение магнитуды землетрясения (M) к логарифму расстояния от станции мониторинга до события (R). Данный критерий экспериментально подтвержден для нескольких геофизических методов, основанных на вариациях проницаемости и пористости горных пород, таких как измерение уровня столба жидкости в скважинах (колодцах) и температуры в скважинах стационарно установленными датчиками [Demezhko et al., 2012; Pulinets et al., 2012; Rulenko, Kuz’min, 2015; Tikhonov, 2012; King et al., 1999]. В силу того, что процесс подготовки землетрясений, которым соответствует геодинамический критерий K<2, практически не отмечался в аномалиях ОАР, рассматривались только события с геодинамическим критерием K≥2.

При выполнении данной работы проанализированы результаты измерения объемной активности радона, полученные с применением адвективного способа доставки радона к детектору за более чем четырехлетний период со станций мониторинга на территории Южно-Курильского полигона. Результаты сопоставлены с сейсмическими событиями (M≥4.0), произошедшими в пределах 500 км от станции мониторинга в г. Южно-Курильске за соответствующий период.

Радиус охвата сейсмических событий относительно станции наблюдения выбирался, исходя из теоретических расчетов проявления деформаций по модели [Dobrovolsky, 1991]. За период с 2019 по 2023 г. максимальная магнитуда землетрясений, происходивших в Южно-Курильском регионе, не превышала 7, поэтому эпицентральное расстояние выбрано меньше 500 км.

Установлено, что 119 событиям из 123 с геодинамическим критерием от 2.0 предшествовали аномалии ОАР (что составляет 96 %) (рис. 3).

При интерпретации вариаций ОАР в качестве точки начала отсчета взят момент окончания аномалии (рис. 4). Момент окончания аномалии соответствует точке В (см. рис. 2). Положительные значения соответствуют землетрясениям, которые проявились после выхода предшествующей аномалии ОАР на фоновые значения (см. рис. 2, участок ВГ). Отрицательные значения соответствуют землетрясениям, которые проявились после максимума предшествующей радоновой аномалии до ее выхода на фоновые значения (см. рис. 2, участок БВ) (рис. 4).

На основе полученного выше распределения подтверждены определенные ранее количественные значения радиусов «ближней» и «дальней» зоны, которые составляют менее 130 и более 180 км соответственно (рис. 4).

Граница «ближней» и «промежуточной» зоны проведена по последним событиям, которые отражались как во временном интервале между экстремумом и окончанием аномалии, так и в интервале после окончания аномалии и выхода на фоновые значения. Аналогично проведена граница «промежуточной» и «дальней» зоны.

Интервал времени проявления дальних событий составляет не более шести суток после максимума предшествующей аномалии ОАР. Для абсолютного большинства ближних событий аналогичный интервал не превышает 28 сут (рис. 4). В обоих случаях интервалы совпадают с результатами, полученными по наблюдениям за 2011–2018 гг. [Kozlova et al., 2021].

В период март – апрель 2023 г. полученные наблюдения охватили процесс подготовки событий, произошедших 28 марта и 3 апреля 2023 г. В ряду вариаций ОАР с 3 по 30 марта 2023 г. отчетливо выделились две аномалии – 24 и 27 марта (рис. 5).

По этим данным был выполнен реальный краткосрочный прогноз землетрясения 3 апреля 2023 г. вблизи г. Петропавловска-Камчатского. Фрагмент записи ОАР за март 2023 г. был получен и обработан 30 марта. На основе этих данных был дан краткосрочный прогноз «дальнего» землетрясения. Прогноз был передан 31 марта 2023 г. на сейсмостанцию в г. Южно-Курильске.

Интерпретация наблюдений по разработанной методике [Kozlova et al., 2021] показала, что первая зарегистрированная высокоамплитудная аномалия 24 марта могла быть связана с подготовкой землетрясения 28 марта на Хоккайдо с магнитудой 6.2 на расстоянии около 400 км («дальняя зона», геодинамический критерий события около 2.5). Дальние события на кривой ОАР отмечаются, начиная от максимума аномалии, а абсолютное большинство – в интервале 5–6 сут после нее. Но землетрясение 28 марта произошло через сутки и после максимума второй аномалии ОАР, т.е. эту аномалию тоже можно было связать с событием на Хоккайдо 28 марта или с другим землетрясением, которое на момент интерпретации еще не произошло. Отличительной особенностью аномалии 27 марта было то, что она по амплитуде превышала предыдущую. Обычно последующая аномалия всегда меньше по амплитуде, так как радон не успевает накопиться в поровом пространстве, если прошло менее 20 дней с момента предыдущей аномалии [Kozlova, Yurkov, 2016]. Наличие двух близких аномалий на кривой ОАР затруднило их интерпретацию, с учетом того, что мониторинг проводился только на одной станции. Некоторую помощь оказал тот факт, что на протяжении всего периода мониторинговых наблюдений с 2011 по 2023 г. не наблюдались две высокоамплитудные аномалии ОАР подряд перед одним событием, поэтому, вероятнее всего, вторая аномалия была связана с подготовкой другого события. Это могло быть дальнее событие, которое должно произойти не позже первых чисел апреля, исходя из установленной задержки до шести суток, либо, если дальнего события не будет, связано с ближним, для района расположения наблюдательной станции. 3 апреля недалеко от г. Петропавловска-Камчатского произошло землетрясение с магнитудой 6.9 («дальняя зона», геодинамический критерий события 2.2). С процессом подготовки этого события, наиболее вероятно, связана аномалия ОАР 27 марта. Как показал последующий анализ событий по сейсмологическому каталогу, событий с магнитудой более 5 в радиусе 130 км от станции мониторинга в течение месяца после окончания аномалии 27 марта не произошло. Это явилось окончательным подтверждением того, что отмеченная 27 марта аномалия ОАР была вызвана подготовкой землетрясения 3 апреля вблизи г. Петропавловска-Камчатского. Вопрос вызывало слишком большое расстояние до события – около 1300 км. В соответствии с критерием И.П. Добровольского, распространение деформации от очага землетрясения с такой магнитудой не должно превышать 500 км, если брать соотношение магнитуды и логарифма расстояния (геодинамический критерий) равным 2.5 [Dobrovolsky, 1991]. Но ранее авторами было установлено, что в аномалиях ОАР отражаются и события с отношением магнитуды к логарифму расстояния от 2.0 [Kozlova et al., 2021]. В этом случае Петропавловск-Камчатское землетрясение попадает в зону чувствительности станции в г. Южно-Курильске. Вопрос, почему вторая аномалия ОАР оказалась сравнимой по амплитуде с первой, остается пока открытым.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная обработка результатов радонового мониторинга за 2019–2023 гг. подтвердила ранее полученные оценки радиусов «ближней» и «дальней» зоны и по времени отражения землетрясений. Возможное отражение землетрясения на Камчатке в кривой ОАР, на расстоянии 1300 км, может свидетельствовать об обоснованности использования геодинамического критерия больше 2.0 для условий Южных Курил. Наличие только одной радоновой станции не позволяет однозначно связывать аномалии ОАР с определенными событиями, поэтому актуальной становится задача изучения отражения процесса подготовки землетрясений в вариациях объемной активности радона на нескольких разнесенных друг от друга станциях.

5. БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность начальнику сейсмической станции «Южно-Курильск» В.Г. Корсунцеву за многолетнюю помощь в организации измерений и передаче данных радонового и температурного мониторинга.

6. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

7. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.