На правах рукописи Специальность 25.00.10 – «Геофизика, геофизические методы

На правах рукописи
Козлова Ирина Анатольевна
МОНИТОРИНГ РАДИОГЕННЫХ ГАЗОВ
ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Специальность 25.00.10 –
«Геофизика, геофизические методы
поисков полезных ископаемых»
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург – 2008
Работа выполнена в Институте геофизики
Уральского отделения Российской академии наук
Научный руководитель –
член-корреспондент РАН, доктор
технических наук, профессор
Уткин Владимир Иванович
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических
наук, доцент Писецкий Владимир
Борисович (ГОУ ВПО «Уральский
государственный горный университет»,
г. Екатеринбург)
кандидат физико-математических
наук Ярмошенко Илья Владимирович
(Институт промышленной экологии УрО
РАН, г. Екатеринбург)
Ведущая организация:
ГОУ ВПО «Пермский государственный
университет» (г.Пермь)
Защита состоится « 19 » июня 2008 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП-126, ул.Куйбышева,
30 (III уч. корпус, конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Автореферат разослан
« 19 »
мая 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.Б. Макаров
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований
Все процессы, происходящие на Земле, по своей сути являются динамическими. В представленной работе рассматривается только небольшая часть геодинамических процессов, которые протекают в верхней части земной коры со
скоростью сравнимой с продолжительностью человеческой жизни и зачастую
приводят к катастрофическим событиям. Понятие «мониторинг» автор использует в своем обычном понимании – как длительное во времени непрерывное
или дискретное с выбранным интервалом наблюдения какого-либо физического
параметра в естественных условиях.
Возрастающий уровень техногенной нагрузки на недра, связанный с выемкой и извлечением на поверхность некомпенсированных больших масс горных
пород, количественные изменения горно-геологических условий в зонах отработки крупных месторождений могут вызывать появление качественно новых
природных процессов, которые не были известны ранее. Изучение таких процессов является важной и актуальной задачей и проводится с использованием
большого количества различных методов. Одним из перспективных направлений является оценка возможности предупреждения опасных геодинамических
явлений на основе мониторинговых наблюдений за радиогенными газами. Из
радиогенных газов, которые образовались в процессе распада природных радиоактивных веществ и применяются для изучения геодинамических процессов, нами изучались: аргон-40 и изотопы радона. Изучение их содержаний и вариаций во времени несет информацию о процессах, протекающих непосредственно в горных породах, и позволяет получить информацию о свойствах среды, в которой происходит миграция радиогенных газов. Рождаясь в горных породах и мигрируя по ним, они несут информацию о тех геодинамических процессах и их изменениях, которые на эти породы воздействуют. Наиболее полную информацию о характере геодинамических процессов можно получить,
используя долговременные ряды наблюдений за концентрацией радиогенных
газов. Методика мониторинговых наблюдений определяется конкретными геологическими условиями, выбранными радиогенными газами и задачами, которые ставятся перед такими наблюдениями.
С 50-х годов прошлого столетия в Институте геофизики УрО РАН проводятся исследования, связанные с радиогенными газами. Начиная с работ
Ю.П. Булашевича и до сегодняшнего времени, выполнен большой объем теоретических и экспериментальных исследований в соответствии с задачами изучения геологического строения земной коры, поиска месторождений радиоактивного сырья, установления связи между потоками тепла и радиогенных газов и
т.д. В основном методики этих работ основывались на однократных измерениях
в конкретных точках. Появившиеся в последнее десятилетие аппаратурные разработки позволили проводить непрерывные мониторинговые измерения радиогенных газов, что существенно расширило область их применения. В частности, они успешно используются при наблюдениях за процессом разрушения водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей и при
изучении геодинамических явлений предваряющих горные удары и землетрясения.
3
Цель работы:
Исследование особенностей изменения содержаний радиогенных газов
40
( Ar, 222Rn) в природной среде при воздействии на нее различных геодинамических процессов.
Основные решаемые задачи:
1. Выявление закономерностей изменения концентрации водорастворенных газов по скважинам при нарушении целостности водозащитной толщи
(ВЗТ) на соленосных рудниках.
2. Разработка способа контроля целостности водозащитной толщи на
Верхнекамском месторождении калийных солей.
3. Экспериментальное выявление зависимостей объемной активности почвенного радона в естественных средах от воздействия различных факторов
(лунно-солнечные приливы, температура верхнего слоя почвы, изменение атмосферного давления, пористость, проницаемость грунтов, влияние упругих
колебаний, влияние уровня грунтовых вод и промерзание почвы).
4. Разработка и апробация методики мониторинговых измерений объемной
активности почвенного радона, снижающей влияние метеорологических факторов и условий измерения.
5. Использование полученных экспериментальных данных поведения почвенного радона в массиве горных пород для решения задач, связанных с влиянием геодинамических процессов на окружающую среду.
Научная новизна:
1. На основе мониторинговых исследований за составом водорастворенных газов в надсолевом водоносном горизонте показана информативность 40Ar,
CH4, H2 при контроле целостности водозащитной толщи.
2. Показано, что по соотношению водорастворенного атмосферного 40Ar и
кислорода можно судить об активности гидродинамических процессов в зоне
наблюдения.
3. Предложен способ контроля целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей.
4. Разработан способ измерений объемной активности почвенного радона в
режиме вынужденной конвекции.
5. Режим вынужденной конвекции позволил реализовать геометрию точечного приемника, что существенно уменьшило влияние условий измерения
на получаемые результаты при мониторинговых наблюдениях.
6. Прямыми измерениями экспериментально показано отсутствие влияния
на объемную активность почвенного радона изменений суточной температуры
приземного слоя атмосферы и атмосферного давления на глубинах более 0,7 м.
7. Экспериментально показано, что увеличение объемной активности почвенного радона после воздействия упругих колебаний на среду происходит через 3-4 часа и не зависит от расстояния между источником и приемником.
8. Наблюдаемое увеличение объемной активности радона в почвенном
воздухе под воздействием упругих колебаний различного частотного диапазона
может быть объяснено вкладом сорбированного радона.
4
На защиту выносятся следующие положения:
1. Изменение концентрации газов (40Ar, CH4, H2), растворенных в надсолевом водоносном горизонте, может служить индикатором целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей.
2. Предложенный режим вынужденной конвекции, позволяет эффективно
использовать мониторинговые измерения объемной активности почвенного радона для изучения геодинамических процессов.
3. Экспериментально установлено, что упругие колебания, распространяющиеся в геологической среде, вызывают увеличение объемной активности
почвенного радона. Анализ возможных механизмов показал, что наиболее вероятной причиной является десорбция радона с поверхностей пор и трещин.
Практическая значимость и реализация работы:
Проведенные исследования по изучению изменений концентрации радиогенных газов в естественных условиях и на образцах позволили разработать
стандартный образец радона (СОР), способ контроля проницаемости водозащитной толщи на месторождениях калийных солей, легли в основу новой методики конвективного режима измерений почвенного радона.
Материалы исследований водораствореннных газов (40Ar, CH4, H2) по
скважинам использовались для проведения контроля целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей при прогнозных
исследованиях последствий аварии в 1995 г. на Соликамском руднике (СКРУ-2)
Полученные результаты по измерениям объемной активности почвенного
радона в режиме вынужденной конвекции легли в основу методики работ по
прогнозу горных ударов на шахтах Североуральского бокситового рудника и
землетрясений на Северном Тянь-Шане и Курильских островах.
Достоверность работы:
Подтверждается большим объемом экспериментальных работ в полевых
условиях, сопоставлением полученных результатов с известными данными содержащимися в научной и справочной литературе, а также успешным внедрением выполненных разработок.
Апробация работы и публикации:
Основные положения и результаты работ докладывались на Международных научных конференция: Экологическая геофизика и геохимия (МоскваДубна, 1998); Физические проблемы экологии (Физическая экология) (Москва,
1999); Геофизика-99 (С-Петербург, 1999); Активные геологические и геофизические процессы в литосфере (Воронеж, 2006); Девятые геофизические чтения
им. В.В. Федынского (Москва, 2007); Глубинное строение. Геодинамика. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей. Четвертые научные
чтения памяти Ю.П. Булашевича (Екатеринбург, 2007); Строение литосферы и
геодинамика (Иркутск, 2007). Геофизика–2007 (С-Петербург, 2007).
По теме диссертационной работы опубликовано четыре статьи, в том числе одна в рецензируемом журнале – «Известия ВУЗов. Геология и разведка», 24
докладах на конференциях (19 полностью опубликовано в материалах конференций), использовано для написания трех научных отчетов и получения одного патента.
5
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на
104 страницах и сопровождается списком литературы из 94 наименований.
Текст иллюстрирован 31 рисунком и 7 таблицами.
Личный вклад автора:
Исследования по теме диссертации выполнены автором за период с 1997
по 2007 гг. в лаборатории ядерной геофизики Института геофизики УрО РАН
под руководством чл.-корр. РАН В.И. Уткина. Автором лично проведены все
модельные и натурные эксперименты и обработка полученных данных. Анализ
полученных результатов и выводы на разных этапах исследований были сделаны совместно с научным руководителем.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю чл.корр. В.И. Уткину за высокопрофессиональное руководство при выполнении
работы, д.г.-м.н. А.К. Корсакову за научные консультации при проведении работ на Верхнекамском месторождении калийных солей.
Автор благодарит к.г.-м.н. А.К. Юркова за постоянное внимание к научной
деятельности и помощь при проведении экспериментальных исследований, д.г.м.н. В.В. Бахтерева и д.ф.-м.н. Ю.В. Хачая за ценные замечания, д.г.-м.н. Д.Ю.
Демежко, д.г.-м.н. В.А. Щапова за консультации при выполнении работы, Д.Г.
Рывкина, к.ф.-м.н. И.В. Ладовского за сотрудничество и весь коллектив лаборатории ядерной геофизики за понимание и поддержку.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель проведенных исследований. Выделена научная новизна работы и ее практическая
значимость.
В первой главе диссертации представлен обзор ранее выполненных по теме диссертации работ.
С 20-х годов прошлого столетия появляется огромный интерес к исследованию радиогенных газов. В первую очередь, это было связанно с поиском месторождений радиоактивного сырья. В качестве одного из наиболее информативных, начинает применяться эманационный метод. До 50-х годов было проведено большое количество исследований по изучению эманирования различных урановых минералов, высказаны представления о механизме эманирования
и сделана оценка влияния на него ряда физических факторов. В этот же период
были сделаны основные расчеты поведения поля радона в естественных условиях, разработаны методики и аппаратура для его измерения. Большой вклад в
тот период внесли: А.Г. Грамаков, В.И. Баранов, Г.В. Горшков, А.П. Кириков, а
несколько позже Ю.П. Булашевич, И.М. Хайкович, В.Л. Шашкин, и др.
В 60-х годах узбекские и московские ученые (Г.А. Мавлянов, В.И. Уломов,
А.Н. Султанхаджаев, Л.В. Горбушина и др.) изучали различные геохимические
эффекты, связанные с процессами, предшествующими и сопутствующими землетрясениям. В частности, удалось показать значение гидрохимических данных
для изучения современных тектонических процессов. Именно в тот период была выявлена важная закономерность, которая открыла путь к прогнозированию
6
землетрясений – во время землетрясения и в период, предшествующий ему, изменяется концентрация некоторых микроэлементов в подземных водах, находящихся недалеко от зоны эпицентра. Более поздними работами была выявлена
взаимосвязь между выделением радона и ультразвуковыми импульсами. Было
показано, что высокочастотные колебания, акустические шумы, сопровождающие землетрясения, могут входить в число причин, провоцирующих существенные вариации в величинах эманирующей способности пород. И.А. Лучин
с коллегами наблюдали явление выброса радона из горных пород под воздействием карьерных взрывов.
В 90 годы, благодаря работам Ю.П. Булашевича, С. Барабась, В.И. Уткина,
А.К. Юркова, В.В. Николаева и др., возник интерес к радону как индикатору
напряженного состояния горных пород при подготовке горных ударов и землетрясений. Работами, проведенными в шахтах Североуральского бокситового
рудника (СУБР), были выявлены закономерности в поведении почвенного радона перед горными ударами.
Интенсивная эксплуатация недр, несбалансированное развитие химической, перерабатывающей, металлургической и машиностроительной промышленности, обусловили огромную техногенную нагрузку на земную поверхность
и недра создали критическую обстановку на Верхнекамском месторождении
калийных солей. Особо следует выделить две крупные аварии: затопление рудника БКРУ-3 в 1986 г. (г. Березники) и обрушение части отработанного пространства рудника СКРУ-2 в 1995 г. (г. Соликамск). Именно после аварии в
1986 г., для более глубокого всестороннего изучения Верхнекамского месторождения калийных солей, в Институте геофизики УрО РАН был создан отдел,
который в 1988 г. преобразован в Пермский горный институт УрО РАН, с целью проведения фундаментальных и прикладных исследований по комплексному освоению минеральных ресурсов и недр Урала, а также решению связанного с этим широкого круга проблем горного дела, горно-промышленной геологии, горной геофизики и геоэкологии. В том числе решению одной из наиболее важных проблем для Верхнекамского месторождения калийных солей разработке методов контроля целостности водозащитной толщи. Одним из путей решения этой проблемы стало использование радиогенного 40Ar, источником которого являются залежи калийных солей.
На материалах, приведенных во второй главе, базируется первое защищаемое положение.
Изменение концентрации газов (40Ar, CH4, H2), растворенных в надсолевом водоносном горизонте, может служить индикатором целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей.
Соляная толща Верхнекамского месторождения представляет собой неоднородный по физическим свойствам массив. Эта неоднородность обусловлена
как первичной слоистостью пород, так и различными аномалиями геологического строения соляной толщи. Под геологической аномалией соляной толщи
здесь понимается локальное отклонение от её обычного (фонового) строения и
состава. Аномалии геологического строения соляной толщи не только затрудняют разработку месторождения, но и могут представлять серьезную опасность
с точки зрения нарушения сплошности водоупорного целика (водозащитной
толщи) и, как следствие, угрозу прорыва надсолевых вод в горные выработки.
7
Разветвленная сеть рудников, наличие подземного техногенного водного резервуара на одном из шахтных полей, определяет актуальность проблемы прогнозирования преобладающих направлений растворения соляной толщи и контроля целостности ВЗТ.
После крупной аварии в 1986 г. на Верхнекамском месторождении калийных солей, наряду с Пермским горным институтом УрО РАН активное участие
в разработке методов контроля целостности водозащитной толщи приняли лаборатории Института геофизики УрО РАН. В частности, в лаборатории ядерной геофизики главное внимание было уделено изучению распределения радиогенного 40Ar, который мог нести информацию о состоянии калийной залежи, имея в виду, что его источником являются калийные соли. Для изучения
пространственного распределения 40Ar были проведены площадные съемки по
существующей и специально пробуренной сети скважин. Проведенными работами было получено площадное распределение растворенного радиогенного
40
Ar над калийной залежью, и экспериментально установлен факт попадания
40
Ar в вышележащие водоносные горизонты при отработке (или разрушении)
калийных пластов. В 1995 г. на Верхнекамском месторождении калийных солей
(ВКМКС) произошла еще одна авария, после которой работы по изучению водораствореных газов были продолжены. В результате был разработан и опробован способ контроля целостности водозащитной толщи.
На рис. 1 представлен схематический геологический разрез продуктивных
толщ данного района, который мы использовали как модель для интерпретации
полученных результатов. На слое подстилающей каменной соли залегают сильвинитовые пласты, выше расположена карналитовая толща, над которой залегает покровная каменная соль, выполняющая роль водозащитной толщи. Надо
отметить, что на ВКМКС в сводовых частях некоторых брахиантиклинальных
складок развиты сильвинитовые шляпы.
Рис. 1. Схематический геологический разрез продуктивной толщи ВКМКС:
1 – каменная соль; 2 – сильвинит; 3 – карналлитовая порода; 4 – сильвинитовая «шляпа»; 5 –
поверхность подземной эрозии соляной толщи (соляное зеркало); 6 – поверхностные отложения; 7 – соленосная ангидрит-карбонатная маркирующая пачка; 8 – подземные водотоки
активных рассолов
8
По минеральному составу толща калийных солей разделяется на два основных горизонта: нижний – сильвинитовый и верхний – сильвиниткарналлитовый, каждый из которых сложен серией пластов калийных солей,
чередующихся с пластами каменной соли.
Из табл. 1, в которой приведены данные по содержанию различных газов
по пластам, слагающим геологический разрез Верхнекамского месторождения
(см. рис. 1) видно, что метан содержится во всех рассмотренных соленосных
пластах, а водород – преимущественно в карналлите.
Таблица 1
Газовый состав сильвинитов и карналлитовой породы ВКМКС (об. %)
Порода
H2
Карналлитовая
порода
Пестрый сильвинит
Полосчатый
сильвинит
Красный
сильвинит
Каменная
соль
CH4
Состав газов, об.%
O2
CO2
Связанные газы
N2
29,0
8,4
н.с.
16,3
46,0
6,3
2,8
н.с.
11,2
73,0
5,8
3,8
26,0
4,5
68,9
8,6
4,2
23,8
5,0
73,4
4,8
10,0
26,0
1,6
59,2
Свободные газы
Карналлитовая
порода
Пестрый сильвинит
Полосчатый
сильвинит
Красный
сильвинит
25,0
30,9
20,5
0,7
49,0
11,3
27,0
н.с.
2,7
47,9
3,8
48,4
н.с.
1,3
43,1
1,9
26,3
н.с.
1,6
58,1
Продуктивные сильвинитовые пласты служат источником радиогенного
Ar, который является продуктом распада естественного радиоактивного изотопа калий-40. Радиогенный 40Ar частично мигрирует вверх, концентрируется в
верхней части соляных пластов. Полное освобождение радиогенного 40Ar происходит при растворении сильвинитового пласта.
При нарушении водозащитного слоя, вниз попадают подземные воды, которые достигают верхней кромки пласта (залежи) калийных солей, и начинают
его растворение. При этом происходит интенсивное освобождение 40Ar, который растворяется в подземных водах и начинает мигрировать вместе с ними.
Избыток радиогенного 40Ar приводит к увеличению изотопного соотношения
40
Ar/36Ar от фоновой величины, соответствующей атмосферному и равной
295,6. Обычная погрешность определения изотопного соотношения 40Ar / 36Ar
составляет 0,1 % (0,25 ед.). При увеличении изотопного отношения на величину более чем два значения погрешности с достоверностью 0,95 можно говорить о начале высвобождения 40Ar. Как только вода достигает карналлитового
пласта, соль начинает растворяться и, соответственно, в процессе ее растворе40
9
ния в раствор выделяются метан и водород, которые находятся в нем в связанном состоянии. Обычно концентрация метана и водорода в подземных водах не
превышает 0,01 об.%. При растворении же карналлитового пласта концентрация метана и водорода в подземных водах увеличивается в 50-60 раз.
На рис. 2 приведены результаты мониторинга содержаний водорастворенных газов в наблюдательной скважине за период с января по июнь 1995 г. проведенного после аварии на СКРУ-2.
Рис. 2. Изменение концентрации радиогенного 40Ar (1), CH4 (2), H2 (3) (об.%)
Появление в пробе от 11.04.1995 «избыточного» радиогенного 40Ar первоначально связали с началом разрушения продуктивных сильвинитовых пластов.
Для получения дополнительной информации о происходящих процессах было
принято решение об измерении в водорастворенных пробах других растворенных газов, в частности, водорода и метана, содержание которых существенно
различается в разных пластах (табл. 1).
Однако последующее уменьшение содержания «избыточного» радиогенного 40Ar в пробах после 30.04.1995 и появление в них высокого содержания
водорода, а также постепенное снижение сейсмической активности, позволило
дать иное объяснение такого поведения растворенных газов. Исходя из геологического строения изучаемой площади, в районе заложения наблюдательной
скважины, которая пробурена в центре площади оседания грунта, существовала
сильвинитовая шляпа. Тогда, если появление в пробах от 11.04.1995 «избыточного» радиогенного 40Ar связано с разрушением сильвинитовой шляпы, логичным становится появление в пробах после 30.04.1995 высоких содержаний водорода, который, в основном, содержится в карналлитовых пластах и свидетельствует о начале его разрушения.
Если обратить внимание на зависимость во времени появления в пробах
газов-индикаторов, то хорошо видна их приуроченность к осенне-весенним периодам. То есть периодам, когда меняется гидродинамическая активность подземных вод и происходит наибольшее поступление осадков в подземные воды,
что естественно, увеличивает их растворяющую способность с одной стороны,
и с другой - сказывается на напряженно-упругом состоянии земных недр. Зна10
чит одной из основных причин, влияющих на целостность водозащитной толщи, является динамика подземной гидросферы, влияющая на поступление поверхностных вод в нижележащие водоносные горизонты. Что это именно так,
покажем на характере изменения содержаний в пробах растворенного кислорода и общего 40Ar (рис. 3). Содержание искомых компонентов измерялись в одной и той же пробе. В характере изменения кривых достаточно хорошо прослеживаются две закономерности.
Рис. 3. Изменение концентрации общего 40Ar (1) и O2 (2) (об.%)
Первая – это «противофазность» изменений содержаний О2 и 40Ar. Причина такого поведения связана с движением подземных вод по водоносному горизонту и с расходованием растворенного кислорода на окислительные процессы.
То есть при поступлении поверхностных вод с высоким содержанием растворенного кислорода, мы будем наблюдать относительное снижение содержания
40
Ar до уровня, определяемого растворимостью всех компонентов атмосферного воздуха. При прекращении поступления поверхностных вод (установление
квазистационарного гидродинамического состояния), кислород начинает расходоваться на окислительные реакции. В связи с этим снижается его содержание в растворенном газе и соответственно увеличивается относительное содержание других компонентов, в том числе и 40Ar.
Вторая закономерность, которая прослеживается в поведении кривых 40Ar
и кислорода – это осенне-весенние увеличение содержания кислорода в пробах
(21.06.1995-1.08.1995 и 27.03.1996-28.08.1996). Объяснение этому явлению
находится также в рамках вышеизложенного, так как именно в эти периоды в
подземные воды поступает наибольшее количество поверхностных вод.
В результате проведенных работ по изучению состава растворенных в водах скважин газов, разработан и опробован способ контроля целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей. Суть которого, заключается в проведение периодического отбора проб растворенных
газов из скважин, пробуренных до надсолевого водоносного горизонта в районах расположения целиков и неотработанного пространства, с последующим
определением в пробах содержания избыточного радиогенного 40Ar. В случае
появления надфоновых его значений в какой-либо скважине, увеличить частоту
отбора проб в ней и проводить дополнительный анализ на газы-индикаторы:
водород и метан.
11
Таким образом, непрерывный мониторинг за содержанием водорастворенных газов позволяет отслеживать динамику подземных вод, а изменение концентрации газов (40Ar, CH4, H2), растворенных в надсолевом водоносном горизонте, может служить индикатором целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей.
В третьей главе раскрывается второе защищаемое положение.
Предложенный режим вынужденной конвекции, позволяет эффективно использовать мониторинговые измерения объемной активности почвенного радона для изучения геодинамических процессов.
Поведение почвенного радона детально изучено многими исследователями
при разведке урановых руд и эманационных съемках. Эти работы послужили
основой для всех последующих исследований в этом направлении.
Для изучения напряженного состояния горных пород, когда необходимо
получать результаты, неискаженные процессом отбора проб и через сравнительно короткие промежутки времени, потребовалось создание методик, которые позволили получать длительные во времени ряды наблюдений, объективно
отражающие различные природные и техногенные воздействия на геологическую среду.
Классическим методом регистрации объемной активности радона в почвенном воздухе является «диффузионный», когда регистрируется содержание
радона в неглубоких скважинах, поступающего в них за счет процесса диффузии из вмещающих пород. Его измерение в естественных условиях можно проводить либо выполняя отбор пробы почвенного воздуха с последующим измерением, либо помещая детектор радона в измеряемую точку. Здесь нужно отметить несколько важных моментов.
1. При непосредственном помещении датчика в измеряемую точку, существует опасность искажения полученных результатов из-за того, что детекторы
(за исключением трековых), имеют достаточно большой объем, отличный от
точечного. Их установка приводит к изменению диффузионных характеристик
почв (при проходке и засыпке шпура) и образованию большого, по сравнению с
размерами поля радона, объема пустого пространства в точке установки детектора.
2. Поле радона представляет собой газовый ореол и имеет (с учетом времени жизни и малой величины коэффициента диффузии) небольшой размер.
Отсюда ясно, что все измерения связанные с отбором какого-то объема почвенного воздуха (пробы), приводят к существенным (с учетом пористости) искажениям поля радона. На его восстановление требуется достаточно большое
время, что уже лимитирует частоту измерений.
3. Из-за медленности диффузионного процесса и малого времени жизни
радона к датчику подходит радон из небольшого объема горных пород. Для получения достоверных результатов нам необходимо увеличить эффективную область, из которой он доходит до прибора, не успев распасться.
4. При измерениях почвенного радона необходимо сократить или уменьшить влияние метеорологических факторов, которое снижается с глубиной.
При этом следует учитывать, что реализация измерений в диффузионном режиме на большой глубине может быть технически трудно осуществима. По12
этому большую роль играет выбор оптимальной глубины опробования или измерения.
Выходом из этой ситуации может быть применение для измерений объемной активности почвенного радона режима вынужденной конвекции, разработанного в Институте геофизике УрО РАН. Физическим обоснованием
этого режима послужило предположение, что при стандартных диффузионных
измерениях к датчику из-за малого времени жизни подходит радон из небольшой, порядка первых десятков сантиметров, области, прилегающей к шпуру.
Диффузионные характеристики грунта искажаются проходкой шпура, а образовавшееся пустое пространство оказывает влияние на существующее поле
напряжений в горных породах. Для уменьшения влияния этих факторов необходимо увеличить эффективный объем горных пород. Чтобы реализовать это
условие, можно ускорить доставку радона из горных пород к детектору, тем
самым увеличить область, из которой он доходит до прибора, не успев распасться. Без искажения существующего напряженного состояния массива это
можно осуществить путем создания более низкого барометрического давления
в шпуре, что обеспечит приток радона из большего объема окружающих горных пород, то есть применить режим вынужденной конвекции. Этот способ
позволяет применять при измерениях серийно выпускаемую аппаратуру, реализовать геометрию точечного приемника и не искажает диффузионные характеристики среды. Естественно, что для получения абсолютных значений объемной активности радона режим вынужденной конвекции не применим, так как
устанавливается новое квазистационарное состояние, определяемое глубиной
точки опробования и градиентом создаваемого понижения давления. Но для
изучения динамических процессов метод вынужденной конвекции, с нашей
точки зрения, наиболее пригоден.
На рис. 4 представлены схемы экспериментов в диффузионном режиме (а)
и режиме вынужденной конвекции (б).
(а)
(б)
Рис. 4. Схема измерений почвенного радона в диффузионном (а) режиме
и режиме вынужденной конвекции (б)
В диффузионном режиме измерительный прибор устанавливается в естественной среде и сверху засыпается грунтом. Почвенный радон поступает к
нему, только за счет процесса диффузии. В режиме вынужденной конвекции в
13
грунт герметично задавливается металлическая, перфорированная на нижнем
конце трубка (зонд) диаметром 10-15 мм. Длина перфорированного конца составляет 40–50 мм. Глубина погружения зонда лежит в пределах 0,7-1,5 м и выбирается исходя из совокупности условий: верхняя его граница определяется
глубиной, на которой практически нет влияния метеорологических факторов,
нижняя граница – геологическими условиями. К верхнему концу зонда через
гибкие герметичные шланги присоединяется вход вакуумного насоса. Выход
вакуумного насоса соединяется со штуцером измерительного прибора (РГА04). Почвенный воздух из зонда непрерывно откачивается насосом, пропускается через измерительную камеру РГА-04 и выходит через негерметичные соединения корпуса прибора. Поскольку забор почвенного воздуха производится
через отверстия на конце зонда, то выполняется условие точечного приемника.
Область понижения давления имеет квазисферическую форму близкую к грушевидной, так как обычно ближе к поверхности пористость и проницаемость
увеличивается, что приводит к уменьшению градиента давления. Квазистационарный режим течения воздуха через прибор устанавливается тогда, когда
суммарный поток почвенного воздуха через границы образовавшейся области
пониженного давления становится равным производительности насоса. Объемная активность радона в этом потоке почвенного воздуха определяется его генерацией в области откачки и потоком через границы этой области.
Была изучена зависимость объемной активности почвенного радона от
лунно-солнечных приливных деформаций, изменения влажности почвы, промерзания грунта, упругих колебаний, влияния метеорологических условий
(температуры приземного слоя атмосферы и атмосферного давления).
Эксперименты по изучению влияния на объемную активность радона
температуры приземного слоя атмосферы и атмосферного давления
проводились при условии соблюдения постоянной температуры и влажности на
поверхности (рис.5).
Рис. 5. Результаты измерений объемной активности почвенного радона при постоянной температуре на границе земля-воздух: 1 – Δg; 2 – ОАР; 3 – атмосферное давление
Результаты эксперимента показали, что при постоянном атмосферном
давлении заметны вариации объемной активности радона, в частности
суточные. На этот же график были нанесены теоретически рассчитанные
14
изменения величины ускорения свободного падения (Δg) (для г. Екатеринбурга)
за счет приливных влияний Луны и Солнца. Сходный характер изменений
кривых Δ g и объемной активности радона позволяет сделать вывод о наличии
между ними причинно-следственной связи. Очевидно, что лунно-солнечные
приливы, оказывают некоторое влияние на изменение ОАР.
По результатам этого эксперимента можно сделать вывод о том, что на суточные вариации величины ОАР в диффузионном режиме, для глубины опробования более 0,7 м, изменения температуры почвы и атмосферного давления
практически не сказываются.
На рис. 6 приведены результаты эксперимента, проведенного в режиме
вынужденной конвекции. Из рисунка видно, что величина объемной активности почвенного радона при режиме вынужденной конвекции увеличивается в 34 раза по сравнению с диффузионными измерениями (в тех же геологических
условиях). То есть в режиме вынужденной конвекции увеличивается эффективный рабочий объем горных пород, за счет этого повышается информативность
объемной активности радона, как индикатора напряженного состояния горных
пород.
Рис. 6. Результаты измерений атмосферного давления и объемной активности радона в режиме вынужденной конвекции: 1 – ОАР; 2 – Δg; 3 – атмосферное давление
Уменьшается относительная величина суточных колебаний, что позволяет
увидеть более тонкие особенности поведения ОАР, в частности отмечается
гармоника с периодом 28 суток, которую практически невозможно выделить
при диффузионных измерениях. Также, как в случае диффузионных измерений,
наблюдается отсутствие влияния атмосферного давления на изменение объемной активности почвенного радона.
Таким образом, разработанный режим вынужденной конвекции позволил
проводить длительные мониторинговые наблюдения в автономном режиме,
позволил реализовать геометрию точечного приемника, устранил влияние метеорологических факторов, повысил регистрируемую величину объемной активности радона, что снизило погрешность измерений в два раза. Реализация
геометрии точечного приемника дает возможность выполнять исследования
влияния на объемную активность радона ряда ранее недоступных для изучения
динамических процессов.
15
Третье защищаемое положение изложено в четвертой главе.
Экспериментально установлено, что упругие колебания, распространяющиеся в геологической среде, вызывают увеличение объемной активности почвенного радона. Анализ возможных механизмов показал, что
наиболее вероятной причиной является десорбция радона с поверхностей
пор и трещин.
Серия экспериментов была проведена в диффузионном режиме, схема которых представлена на рис. 4(а). В камере на глубине 0,5 м был установлен
прибор для измерения объемной активности радона. Сверху камера была закрыта проницаемой крышкой и засыпана слоем грунта толщиной 10-15 см.
Показательными являются результаты эксперимента, когда регистрирующий прибор объемной активности радона был расположен в борту карьера. Ночью, когда в карьере не происходило работ, фоновые значения объемной активности почвенного радона – 200 Бк/м3, увеличение величины ОАР до 20 раз,
когда в карьере проводятся работы (рис. 7).
Рис. 7. Изменение объемной активности почвенного радона днем и ночью
После производственного карьерного взрыва в Исетском щебеночном карьере, увеличение объемной активности почвенного радона произошло через
4 часа, приемник был расположен на расстоянии 800 м от места взрыва (рис. 8).
Рис. 8. Влияние карьерных взрывов на изменение объемной активности
почвенного радона: - время проведения взрыва
16
Кратковременное воздействие искусственных источников по площадке,
находящейся на расстоянии 0,4–0,6 м от наблюдательной камеры, вызвало увеличение ОАР через 3-4 часа. При воздействии источника большей мощности на
расстоянии 10 м от регистратора, отклик был получен также через 3-4 часа
(рис. 9).
Рис. 9. Изменение объемной активности радона
при воздействии на среду искусственных источников упругих колебаний:
- воздействие искусственного источника
Полученные результаты показали, что после воздействия упругих колебаний на среду увеличение объемной активности почвенного радона происходит через 3-4 часа, и этот временной интервал наблюдается при разных расстояниях между источником и приемником.
Анализ возможных механизмов увеличения объемной активности почвенного радона, к которым относятся: изменение объема трещиноватопористого пространства, образование и «схлопывание» трещин; изменение
мощности генерирующего пласта за счет изменения уровня грунтовых вод и
поступление радона из отдаленных областей, показал, что они не могут однозначно объяснить наблюдаемые вариации объемной активности почвенного радона.
Увеличение объемной активности почвенного радона при различных расстояниях от точки воздействия до приемника может быть объяснено (при существующей медленности диффузионных процессов и малом времени жизни радона) тем, что под воздействием упругих колебаний из горных пород вблизи
детектора дополнительно выделяется сорбированный на стенках пор и трещин
радон. В камеру, где расположен измерительный прибор, радон поступает
практически без продуктов распада. То есть, увеличение объемной активности
почвенного радона обусловлено переходом части выделившегося радона из
горных пород в камеру, где расположен прибор, и достижением равновесия с
продуктами его распада примерно через 3-4 часа.
Исходя из вышесказанного, можно предположить, что вклад в увеличение
объемной активности почвенного радона при воздействии упругих колебаний
может быть обусловлен выделением сорбированного на стенках пор и трещин
радона.
Для проверки предположения о наличии сорбированного радона были
проведены эксперименты со стандартными образцами радона (СОР). Десорбция
17
атомов радона осуществлялась нагревом СОР до температуры 180 оС, выбор
которой был обусловлен тем, что при ней еще не существенно сказывается увеличение коэффициента диффузии радона.
Были взяты три стандартных образца, заполненных гранитным порошком
разной фракции. После трехнедельного накопления радона в них измерили его
объемную активность. Затем вакуумным насосом из СОР удалили находящийся
воздух и заполнили атмосферным, и снова измерили объемную активность радона. Далее, поочередно СОР нагрели до 180± 10 оС и измерили ОАР. Измерение температуры производилось сразу после отбора пробы для определения
объемной активности радона, непосредственно в рабочем веществе стандартного образца радона.
Полученные результаты (табл. 2) показали, что после удаления из стандартного образца радона всего накопленного ранее радона и последующего
нагрева до 180 оС, объемная активность радона достигает практически прежнего значения.
Таблица 2
Изменение объемной активности радона при нагревании
Фракция, мм
0,25-0,5
0,8-1,2
4,0-6,0
После
накопления Rn,
ОАР Бк/м3
327
500
618
После
удаления Rn,
ОАР Бк /м3
0
0
0
После нагрева
до 180 0С,
ОАР Бк/м3
270
550
685
Возможным объяснением этого факта является то, что при температуре
180 С происходит переход какой-то части сорбированного радона в поровое
пространство в свободное состояние.
Таким образом, проведенные эксперименты показали: во-первых, увеличение объемной активности радона при воздействии упругих колебаний на горные породы, во-вторых, наличие в горных породах кроме свободного, сорбированного радона. По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что изменение объемной активности радона, регистрируемое
в результате подготовки тектонических событий, по крайней мере далеких,
возможно обусловлено и вкладом сорбированного радона, переходящего в свободное состояние под воздействием упругих колебаний, генерирующихся в области готовящегося события
о
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные экспериментальные и теоретические исследования по применению 40Ar и 222Rn расширили область применения радиогенных газов. Реализация режима мониторинговых измерений позволила использовать 40Ar и
222
Rn для изучения сравнительно быстро протекающих динамических процессов, таких как подготовка горных ударов, землетрясений и карстообразование
из-за растворения солей. Полученные результаты экспериментальных исследований позволили выявить ряд закономерностей в поведении изучаемых радиогенных газов при воздействии геодинамических процессов на геологическую
среду.
Основные научные и практические результаты сводятся к следующему:
1. Применение для контроля целостности водозащитной толщи содержаний водорастворенных газов (40Ar, CH4, H2) позволяет с большей уверенностью
интерпретировать данные, полученные другими геофизическими методами на
Верхнекамском месторождении калийных солей.
2. Водорастворенные газы несут «вещественную» информацию о развитии
процесса растворения в конкретных геологических пластах, слагающих разрез
Верхнекамского месторождения калийных солей.
3. Показано, что диффузионный режим измерений объемной активности радона в почве не позволяет эффективно проводить изучение влияния на нее быстроменяющихся факторов. Выходом из этой ситуации может быть применение
для исследований влияния динамических процессов на объемную активность
почвенного радона режима вынужденной конвекции.
4. В режиме вынужденной конвекции реализуется геометрия точечного
приемника, что исключает ошибки, связанные с пробоотбором почвенного воздуха. Кроме того, он позволяет проводить наблюдения с очень малым интервалом между измерениями, а увеличение информативного объема горных пород
существенно снижает влияние неоднородности геологической среды.
5. Важным моментом является экспериментально показанное отсутствие
влияния на суточные вариации объемной активности радона температуры приземного слоя атмосферы и изменений атмосферного давления на глубинах более 0,7 м.
6. Экспериментально установлено увеличение объемной активности почвенного радона через 3-4 часа после воздействия искусственными источниками
упругих колебаний различного частотного диапазона в естественных условиях
при различных расстояниях между источником и приемником.
7. Возможным объяснением увеличения объемной активности радона после воздействия на горные породы упругих колебаний, является десорбция радона с поверхностей пор и трещин.
Проведенные в этой работе исследования по применению 40Ar и 222Rn для
изучения геодинамических процессов показали, что область применения радиогенных газов все более расширяется, открывая новые перспективы.
19
Основные публикации по теме диссертации:
Работа, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК РФ:
1. Козлова И.А. Газовый мониторинг состояния водозащитной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей / Корсаков А.К., Козлова И.А. // Изв.
ВУЗов. Геология и разведка, 2008. № 1. С. 34-39.
Работы, опубликованные в других изданиях:
2. Козлова И.А. Особенности вентиляции подвальных помещений, расположенных в зонах с высоким содержанием радона-222 в почвенном воздухе / Уткин В.И., Козлова И.А. // Радиационная безопасность человека и окружающей
среды. Труды науч-практ. конф. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1997. С. 36-38.
3. Козлова И.А. Газовый контроль водозащитной толщи на месторождении калийных солей / Уткин В.И., Юрков А.К., Новоселицкий В.М., Козлова И.А. //
Третье совещание по геодинамике. Екатеринбург, 1997. С. 80.
4. Козлова И.А. Прогнозирование состояния целостности ВЗТ на ВКМКС /
Уткин В.И., Юрков А.К., Новоселицкий В.М., Козлова И.А. // Инженерногеологическое обеспечение недропользования. Пермь: ГИ УрО РАН, 1997.
С. 56.
5. Козлова И.А. Способ геохимического контроля водозащитной толщи на месторождениях калийных солей. / Уткин В.И., Юрков А.К., Новоселицкий В.М.,
Козлова И.А. (Россия) // Пат. № 2117542 РФ, RU 2123194 C1. -№ 97113880/25;
Заявлено 13.08.1997; Опубл. 10.12.1998, Бюл. №34.
6. Козлова И.А. Газовый контроль за состоянием водозащитной толщи на месторождениях калийных солей / Козлова И.А. // Экологическая геофизика и
геохимия: Сб. материалов межд. конф. Москва-Дубна: ВНИИгеосистем, 1998.
С. 108-111.
7. Козлова И.А. Геохимические исследования при изучении целостности ВЗТ
на ВКМКС / Козлова И.А. // Физическая экология (Физические проблемы экологии), 1999. № 4. С. 89-90.
8. Козлова И.А. О возможности использования термо-газового мониторинга
при контроле состояния ВЗТ / Козлова И.А. // Геофизические методы исследования Земли и недр: Сб. материалов межд. конф. молодых специалистов.
С-Петербург.: СПГУ, 1999. С. 97-98.
9. Козлова И.А. Отражение динамики напряженного состояния массива в поле
эсхаляции радона / Козлова И.А. // Геофизические методы исследования Земли
и недр: Сб. материалов межд. конф. молодых специалистов. С-Петербург.:
СПГУ, 1999. С. 99-101.
10. Козлова И.А. Радон как индикатор напряженного состояния массива / Уткин В.И., Юрков А.К., Козлова И.А. // Мельниковские чтения: Материалы
конф. Пермь: ГИ УрО РАН, 1999. С. 28.
11. Kozlova I.A. Massif straining condition dynamics reflection in radon field / V.I.
Utkin, Kozlova I.A. // XXV General Assembly EGS, Nica, France, 2000, р.13561358.
20
12. Козлова И.А. Термогазовый мониторинг при контроле водозащитной толщи. / Козлова И.А. // Вторые Геофизические Чтения имени В.В. Федынского.
Материалы. М., 2000. С. 45-46.
13. Козлова И.А. Динамика напряженного состояния массива в поле эсхаляции
радона / Козлова И.А. // Первая Уральская молодежная научная школа по геофизике: Доклады. Екатеринбург: УрО РАН. 2000. С. 11.
14. Козлова И.А. Влияние условий измерений при мониторинге почвенного радона / Козлова И.А. // Вторая Уральская молодежная научная школа по геофизике: Сборник докладов. Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. С. 65-67.
15. Козлова И.А. Методические вопросы мониторинга радиогенных газов / Козлова И.А., Юрков А.К. // Ядерная геофизика. Геотермические исследования литосферы. Геотермия: Первые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2001. С. 43-45.
16. Козлова И.А. К вопросу об эманировании радона-222 из горных пород /
Козлова И.А. // Третья Уральская молодежная научная школа по геофизике:
Сборник докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. С. 53-54.
17. Козлова И.А. Изменение концентрации радона-222 в почвенном воздухе при
воздействии на массив горных пород упругих колебаний ультразвукового диапазона / Козлова И.А. // Современные проблемы геофизики: Пятая Уральская
молодежная научная школа по геофизике. Сборник материалов. Екатеринбург.
УрО РАН, 2004. С. 62-63.
18. Козлова И.А. Методические вопросы измерения содержания радона-222 в
почвенном воздухе при мониторинговых наблюдениях / Юрков А.К., Козлова И.А. // Уральский геофизический вестник, 2005. № 7. С. 30-34.
19. Козлова И.А. Метод мгновенного источника для расчета параметров диффузии радона в горных породах / Уткин В.И., Рывкин Д.Г., Юрков А.К., Козлова И.А. // Активные геологические и геофизические процессы в литосфере: Материалы межд. конф. Воронеж: ВГУ, 2006. С. 231-233.
20. Козлова И.А. Определение диффузионных параметров среды методом
мгновенного источника в конвективном режиме измерений / Козлова И.А. //
Восьмая Уральская молодежная научная школа по геофизике: Сборник материалов. Пермь: ГИ УрО РАН, 2007. С. 126-129.
21. Козлова И.А. Влияние упругих колебаний на выделение почвенного радона
из горных пород / Козлова И.А. // Строение литосферы и геодинамика: Материалы XII Всероссийской молодежная конф. Иркутск, 2007. С. 223-224.
22. Козлова И.А. Влияние метеорологических факторов на поведение Rn-222 в
массиве горных пород / Козлова И.А. // Геофизика-2007: Материалы научпракт. конф. С-Петербург, 2007. С. 190-191.
23. Козлова И.А. Выделение радона из горных пород при воздействии на них
упругих колебаний различного диапазона / Уткин В.И., Юрков А.К., Козлова И.А. // Геофизика XXI столетия. Сборник трудов Девятых геофизических
чтений им. В.В. Федынского: Тверь: ООО Изд-во «ГЕРС», 2008. С. 317-320.
24. Козлова И.А. Возможный источник радона, объясняющий увеличение его
объемной активности при воздействии упругих колебаний на среду / Козлова И.А. // Современные проблемы геофизики. Девятая Уральская молодежная
научная школа по геофизике: Сборник материалов. Екатеринбург: УрО РАН,
2008. С. 74-76.
21
Козлова Ирина Анатольевна
Мониторинг радиогенных газов
для изучения геодинамических процессов
Автореферат
Подписано в печать 08.05.2008 г.
Формат 60х84/16 Объем 1,0 усл.-печ.л.
Тираж 100 экз. Заказ № 157
Размножено с готового оригинала макета в типографии
«Уральский центр академического обслуживания»
620219, г. Екатеринбург, ул.С.Ковалевской, 18
22