Концентрация радона в почвенном воздухе варьируется в зависимости от внешних (планетарных) и внутренних (геодинамических) по отношению к Земле факторов, причем в зонах активных разломов газовые эманации меняются наиболее интенсивно. Для оценки характера временных вариаций объемной активности подпочвенного радона (Q) в разломах Байкальского рифта была организована постоянно действующая мониторинговая станция в окрестностях пос. Тырган (Западное Прибайкалье). Она принадлежит к зоне крупнейшего Приморского сброса и оборудована радиометром радона РРА01М03, который позволяет каждые 85 мин фиксировать величину Q, а также серию метеопараметров (атмосферное давление, влажность, температура воздуха).

Материалом для анализа послужили результаты двух измерительных сессий продолжительностью 148 и 66 суток, которые охватили ту часть года, в течение которой в условиях холодного климата Восточной Сибири возможны полевые измерения параметра Q. Судя по данным мониторинга, вариации объемной активности радона в зоне Приморского сброса в течение периода весналетоосень могут составлять более одного порядка данной величины и являются колебательными по типу. Существенное изменение проницаемости во времени обусловлено интенсивными изменениями напряженного состояния горного массива под воздействием планетарных и геодинамических факторов. Влияние первой группы факторов выражается в синхронных колебаниях объемной активности радона и атмосферного давления, которые происходят в противофазе. Преобладание суточных и четырехсуточных периодов свидетельствует, что на напряженном состоянии горного массива сказываются лунные приливы и циклонические явления, связанные с взаимодействием ЗемляСолнце. Влияние второй группы факторов выражается в отчетливой связи эманаций радона с проявлениями сейсмической активности, в т.ч. и с катастрофическим землетрясением в Японии (11.03.2011 г.; М=9.0).

Внешние и внутренние факторы действуют совместно, но их роль в вариациях объемной активности радона различна в отдельные отрезки времени. Большую часть периода наблюдений выход радона контролируют планетарные факторы. Эксхаляция усиливается и уменьшается в соответствии с периодическими колебаниями атмосферного давления, которые, кроме «насосного эффекта», могут приводить к раскрытию или закрытию пор и трещин в горных породах. При этом в периоды уменьшения внешнего давления происходит частичная разрядка внутренних напряжений посредством сравнительно слабых землетрясений. Руководящее воздействие атмосферного давления на выход радона нарушается, когда в результате интенсивных движений по разломам в Байкальском рифте или резких подвижек плит в смежных активных зонах (например, в связи с сильнейшим землетрясением в Японии) внутренние напряжения превышают определенный уровень. В эти сравнительно короткие периоды времени, отличающиеся повышением сейсмической активности, влияние тектонических напряжений на проницаемость и выход радона становится определяющим.

Таким образом, анализ мониторинговых измерений объемной активности подпочвенного радона на примере локального участка в зоне Приморского сброса позволил впервые для Прибайкалья выявить и отразить в рамках теоретической модели принципиальные особенности вариаций параметра Q во времени и их зависимость от внешних и внутренних факторов. Перспективы этих исследований связаны с созданием сети мониторинговых станций на территории Байкальского рифта и получением более длинных рядов наблюдений.

В работе описана статистико-термодинамическая эволюция ансамбля дефектов в геосреде в поле внешнего приложенного напряжения. Авторами вводятся тензорные  структурные переменные, ассоциированные с двумя характерными типами дефектов: трещинами и локализованными сдвигами (рис. 1). Процедура осреднения структурных переменных по статистическому ансамблю дефектов позволила получить уравнение самосогласования, определяющее зависимость макроскопического тензора деформации, индуцированной дефектами, от величины внешних напряжений, исходной структуры и взаимодействия дефектов, которое в безразмерном случае содержит только один параметр – параметр структурного скейлинга. Параметр структурного скейлинга определяется отношением характерных структурных масштабов: размером дефектов и средним расстоянием между дефектами.

В результате решения уравнения самосогласования получено три характерных реакции геосреды с дефектами на рост внешнего напряжения (рис. 2), которые определяются величиной параметра структурного скейлинга. Формулировка неравновесной свободной энергии для среды с дефектами в форме, аналогичной разложению Гинзбурга-Ландау, позволила записать эволюционные уравнения для введенных параметров порядка (деформации, обусловленной дефектами, и параметра структурного скейлинга) и исследовать их собственные  решения (рис. 3).

Показано, что первая реакция соответствует устойчивому квазипластическому деформированию среды, локализованному в регулярно расположенных пространственных областях, характеризующихся отсутствием коллективных ориентационных эффектов. Уменьшение параметра структурного скейлинга приводит ко второй реакции, которая характеризуется появлением области метастабильности в поведении среды с дефектами, когда при некотором критическом напряжении происходит ориентационный переход в ансамбле взаимодействующих дефектов, сопровождающийся резким скачком деформации (рис. 2). При этом на масштабе наблюдения (осреднения) этот переход проявляется в виде локализованной катакластической деформации (множества слабых землетрясений), мигрирующей по пространству со скоростью, на порядки меньшей скорости звука – «медленной» деформационной волны (рис. 3). Дальнейшее уменьшение параметра структурного скейлинга приводит к вырождению ориентационной метастабильности и формированию в среде локализованных диссипативных дефектных структур, которые при достижении критического напряжения развиваются в режиме с обострением – режиме лавинно-неустойчивого роста дефектов в локализованной пространственной области, уменьшающейся с течением времени. На масштабе наблюдения этот процесс проявляется в виде хрупкого разрушения с формированием зоны разрушения, соизмеримой с самим масштабом наблюдения, и соответствует появлению сильного землетрясения.

Таким образом, построенная модель поведения геосреды с дефектами в поле внешних напряжений позволяет описать основные способы релаксации напряжений массивами горных пород: хрупкое крупномасштабное разрушение и катакластическое деформирование, которые являются следствиями коллективного поведения дефектов, определяемого величиной параметра структурного скейлинга.

Полученные результаты могут быть полезны для оценки критических напряжений и состояний геосреды в сейсмоактивных районах, а также могут рассматриваться как модельные представления физической гипотезы о единстве природы развития несплошностей (дефектов) на широком спектре пространственных масштабов.

В настоящей работе представлены результаты исследования затухания сейсмических волн методом кода-волн [Aki, Chouet, 1975] в литосфере и верхней мантии северной части Провинции Бассейнов и Хребтов (ПБХ) (рис. 1). В работе использовались данные, полученные в рамках сейсмического эксперимента 1988–1989 PASSCAL Basin and Range Passive Seismic Experiment [Owens, Randall, 1989], – записи 66 землетрясений и взрывов с магнитудами Mb=1.1–5.0, произошедших на территории ПБХ (рис. 2).

Для расчета эффективной сейсмической добротности по коде использовалась модель однократного рассеяния [Aki, Chouet, 1975]. Расчет значений QC выполнялся для 18 значений длины окна обработки коды W – от 10 до 95 с с шагом 5 с на 6 центральных частотах f: 0.3, 0.75, 1.5, 3.0, 6.0 и 12.0 Гц. Всего выполнено 7776 индивидуальных измерений QC. Наблюдается сильная зависимость добротности от частоты и длины окна обработки коды: QС возрастает от 12±6 до 359±17 для центральных частот 0.3 и 12.0 Гц при длине окна обработки коды W=10 с и от 87±6 до 1177±87 на тех же частотах при W=95 с (рис. 6). На базе полученных значений QС для всех значений длины окна W были рассчитаны эмпирические зависимости добротности от частоты согласно [Mitchell, 1981] и получены значения: Q0 – добротность на референтной частоте f0 (f0=1 Гц) и n – частотный параметр (n близок к 1 и меняется в зависимости от неоднородности среды [Aki, 1981]). Полученные в настоящей работе значения Q0 меняются от 60±8 до 222±17, значения частотного параметра варьируются от 0.57±0.04 до 0.84±0.05, и коэффициент затухания δ меняется в пределах 0.015–0.004 км–1 в зависимости от W (рис. 8), подобные значения параметров затухания характерны для районов с высокой тектонической активностью [Mak et al., 2004].

В рамках модели однократного рассеяния зависимость параметров затухания от длины окна обработки коды может быть объяснена с позиций глубины формирования коды [Pulli, 1984]: большее значение W соответствует большей глубине прохождения кода-волн. Анализ вариаций коэффициента затухания δ и частотного параметра n для Провинции Бассейнов и Хребтов показал, что оба параметра неравномерно уменьшаются с увеличением глубины – на глубине 150 км наклон графика изменения δ заметно меняется. В верхней части графика (глубины до 150 км) наблюдается резкое изменение δ с глубиной, особенно хорошо это видно на графике градиента δ (рис. 9, 10), подобное поведение характерно и для n. Также на глубине около 140 км отмечается скачок параметра n. В средней части (на глубинах 150–200 км) наклон графика δ увеличивается, градиенты δ и частотного параметра значительно уменьшаются. И в нижней части разреза (>200 км) значение δ становится практически постоянным, также отмечается резкое скачкообразное увеличение значения n (рис. 9, 10). На рисунке приведен скоростной разрез исследуемого региона, полученный в работе [Wagner et al., 2012]. На разрезе видно, что под Провинцией Бассейнов и Хребтов расположена низкоскоростная мантия, начинающаяся практически под границей Мохо (на глубине 50–60 км). Нижняя граница низкоскоростной мантии находится на глубине 130–160 км. Таким образом, можно заключить, что изменение угла наклона графика зависимости δ от глубины связано с глубинным строением среды. При этом резкие изменения δ и n приурочены к скоростным границам среды. Высокие значения δ и n, характерные для верхней части разреза, свидетельствуют о высокой степени неоднородности среды, что подтверждается также низкими скоростями сейсмических волн в данной области [Wagner et al., 2012]. Уменьшение параметров δ и n в средней и нижней частях разреза говорит о более однородной структуре среды на больших глубинах.

В результате проведенного исследования характеристик затухания сейсмических волн в литосфере и верхней мантии северной части Провинции Бассейнов и Хребтов установлена высокая зависимость эффективной сейсмической добротности QC от частоты в диапазоне 0.5–16.0 Гц. Получены эмпирические соотношения Q(f) для разной длины окна обработки коды; показано, что значение эффективной сейсмической добротности увеличивается с увеличением длины окна обработки коды, что может быть интерпретировано как уменьшение затухания с глубиной. Сопоставление глубинных вариаций коэффициента затухания и частотного параметра со скоростным строением показало, что для северной части Провинции Бассейнов и Хребтов на скоростных границах наблюдается отчетливое изменение затухания сейсмических волн.