Котляров А.А., Максимов А.Ю., Кузьмин Ю.Д., Воропаев В.Ф. Параметры датчиков радона для контроля геофизической активности

Научная статья

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1848а Котляров А.А. (1), Максимов А.Ю. (radium@pisem.net) (1), Кузьмин Ю.Д. (2), Воропаев В.Ф. (2)

(1) Московский Инженерно-физический институт (государственный университет), (2) Камчатская Опытно-методическая сейсмологическая партия

Геофизической службы РАН

1.а Введение

Горные породы, слагающие различные оболочки Земли, находятся в напряженном состоянии под действием внешних и внутренних сил. При этом распределение напряжений зависит не только от действующих сил, но и от степени неоднородности, трещиноватости и газоводонасыщенности горных пород, слагающих геологические структуры. Трещины, любого ранга, заполненные газоводными флюидами, служат каналами для их миграции, а, следовательно, для более интенсивного тепломассопереноса в среде. Изменение напряженного состояния породы вызывает ее деформацию, что приводит, в свою очередь, не только к изменению физических свойств (упругих, прочностных, электромагнитных, магнитных и др.) среды, но и к раскрытию или закрытию трещин. В результате этого будет изменяться площадь свободной поверхности горных пород. При нарушении сплошности горных пород возникают акустические колебания в широком диапазоне частот, начиная с ультразвуковых. Эти колебания вызывают флуктуации в десорбционных и миграционных процессах [1], а также термодинамических условий в очаге готовящегося землетрясения [2]. Следствием этих процессов будет изменение параметров газообразных и водных флюидов (потока, состава, температуры, химической активности взаимодействия флюиды-порода и т.п.), выведенных на поверхность. Указанные параметры поддаются регистрации измерительными средствами. Основными требованиями к измерительной аппаратуре являются: надежная детектируемость исследуемого компонента газового флюида; воспроизводимость измерений; малая зависимость результатов от изменений параметров окружающей среды и надежная работа регистрирующей аппаратуры в непрерывном режиме. Все вышесказанное относится и к радоновым измерениям. Работы по использованию радона в качестве краткосрочного предвестника землетрясений проводились многими исследователями. Результаты этих работ хорошо отражены в ряде обзоров [3, 4, 5]. В настоящей работе описаны способы и методы измерений радона, конкретные требования к приборному обеспечению, определены оптимальные параметры датчиков.

2.а Организация регистрации параметров геохимического отклика

Для организации пункта комплексных геохимических наблюдений (ПКН) за изменениями газоводного флюида, с целью изучения реакции геохимического поля на внешние геофизические воздействия и поиска краткосрочного предвестника землетрясений на Камчатке, была выбрана Карымшинская геотермальная система (ГТС). Любая ГТС является активной геологической средой, которая может рассматриваться в качестве природного объемного деформографа, способного реагировать на любые внешние воздействия, аккумулируя и преобразуя эти воздействия (механические, электромагнитные, тепловые и другие) в геохимический отклик.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1849а Как отмечается в [6], ограниченная информативность радона, обусловленная его относительно небольшим периодом полураспада (3,82 сут), в известной степени может рассматриваться как положительный фактор. Аномальные его концентрации в призабойной области скважины являются проявлением повышенной тектонической активности только в текущий момент, что позволяет рассматривать радон как весьма ценный показатель проявления новейшей тектонической активности. Необходимо также отметить, что растворимость радона в воде уменьшается при увеличении температуры и минерализации воды, а концентрация связанных и свободных изотопов радона, а также скорость распространения последних от места образования определяется процессами эманирования, диффузии и конвективного переноса [7]. Величина выхода радона и характер ее изменения определяется геологическим строением региона.

Накопление и поступление элементов с больших глубин дает возможность расширить наши познания о наиболее труднодоступных и малоизученных толщах пород.

Исследование глубинного радона осуществляется с помощью глубокой термальной скважины К-88. Скважина К-88 для данного участка Верхне-Паратунской геотермальной системы (Карымшинское месторождение термальных вод) является аномальной и имеет параметры:

глубина 805 м,
температура на забое 105 С,
рН=8,
основной растворенный газ - азот (98%),
минерализация-1,1 г/л,
пьезометрический уровень -98м,
дебит -24 м3/с.

Вода из скважины по трубам подается на ПКН Карымшина, где на геохимическом пункте происходит барботирование (перевод растворенных газов в свободное состояние

О999а 990

при Т = 82 С), отбор и анализ Rn (радона) и Rn (торона) из потока термальной воды. Зная время прохождения термальной воды от перфорированного участка скважины К-88 до места измерения, можно с достаточной точностью определить время реакции пласта ГТС на внешние воздействия (изменения теплового потока, атмосферного давления, электромагнитные воздействия и т.д.).

Для регистрации радона в приповерхностных условиях используется открытая скважина глубиной 4 м, обсаженная перфорированной пластиковой трубой диаметром 100 мм. Скважина находится в помещении, защищающем ее от прямого воздействия дождя и снега. Часть трубы, выходящая на поверхность, для термостабилизации устья скважины, покрыта толстым слоем минваты.

Одновременно на данном пункте проводится комплекс геофизических и метеорологических наблюдений, позволяющих определять корреляцию изменений геохимического отклика с параметрами окружающей среды.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1850аа Воздух из четырехметровой скважины и из барботера, в котором происходит перевод растворенных газов из термальной воды в свободное состояние, подается через фильтр-осушитель (СаСЬ) в измерительные ячейки радиометров. Следует отметить, что осушитель из-за высокой влажности требует частых замен, что является определенным неудобством при работе в полевых условиях. Результаты измерений должны сохраняться в электронном виде для последующего анализа совместно с другими данными наблюдений наПКН.

Таким образом, конкретными требованиями к приборному обеспечению измерений радона в данной ситуации являются:

возможностьаа продолжительныхаа автономныхаа измеренийаа (общая продолжительность до нескольких месяцев с периодом измерений около часа);
полная автоматизация, сохранение результатов измерений в электронном виде;
возможность работы в жестких климатических условиях (влажность воздуха до 90% при температуре до 30 С);
чувствительность,а достаточная для надежного измерения активности радона, характерной для данного района.

Практически единственным доступным типом приборов, удовлетворяющим данным требованиям, являются радиометры радона с электростатическим осаждением (ЭО) заряженных дочерних продуктов распада (ДПР) на полупроводниковый детектор (ППД) а-частиц [8], что и предопределило выбор этих приборов для измерений в составе комплекса аппаратуры ПКН. Содержание радона в объеме блока детектирования определяется по количеству событий, зарегистрированных детектором в результате а-распада ДПР радона, собирающихся на чувствительной поверхности детектора. Радиометр включает в себя собственно датчик (измерительная камера с ППД), блок питания, воздуходувку и электронный блок управления, регистрации и хранения информации. В литературе отмечается, что эффективность регистрации методом ЭО может зависеть от влажности и наличия микропримесей в воздухе [9 и др.]. Однако, достоинства метода (высокая чувствительность, экспрессность, селективность по отношению к радону, относительная простота конструкции приборов, отсутствие сменных частей) делают его незаменимым для автономного мониторинга радона [10].

Исходя из вышесказанного, выбор оптимальных параметров конструкции датчиков радиометров должен быть основан как на обеспечении необходимой чувствительности, так и на минимизации погрешности в заданных условиях измерений.

4.а Определение параметров датчиков для регистрации радона

Режим измерений диктуется скоростью изменения выхода радона. Предварительные измерения показали, что оптимальным является время измерений 40 минут. Наблюдаемые уровни объемной активности (ОА) радона составляют в различных точках измерений от 200доЗО-103Бк/м3.

Критерием оптимизации радиометра для геофизических измерений была выбрана минимизация погрешности измерений и возможность уверенного контроля ОА радона от значения 400 Бк/м и выше. Чувствительность датчика определяется средней вероятностью s доставки иона ДПР из объема камеры на поверхность ППД (называемой также эффективностью ЭО). Примеси воздуха, в том числе влажность, оказывают нейтрализующее влияние на ионы ДПР [11], что уменьшает вероятность сбора ионов и обуславливает дополнительную погрешность.

Относительная погрешность определения ОА радона складывается из статистической ошибки,а систематической погрешности 8s,а и погрешности радиометра,

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1851аа SCRn = V5CL+5S2а .

С использованием модели нейтрализации ионов ДПР в воздухе при наличии электрического поля, описанной в [11], была создана специальная методика для определения s при любой заданной геометрии собирающего электрода и разной влажности воздуха. Методика основана на расчете поля в измерительной камере, расчете траектории движения ионов ДПР и последующем вычислении средней вероятности электроосаждения ионов с использованием зависимостей для скорости нейтрализации, полученных в экспериментах.

Расчетным путем определены зависимости эффективности ЭО s и погрешности 8s от чувствительного объема V. Была принята цилиндрическая геометрия камеры, с соотношением радиуса к высоте, равном (2/3), и оптимальным креплением ППД. Площадь стандартного ППД равна 1 см . При определении 8s предполагалось изменение климатических условий в следующих пределах:

температура окружающей среды 20+5 С,
относительная влажность 60+20 %,

что соответствует диапазону абсолютной влажности примерно от 5 до 18 г/м". 8s определялось как приращение s при изменении значения влажности Н, равного 10 г/м , на значение погрешности измерений влажности.

На рис. 1 показана зависимость s и 8s от чувствительного объема камеры.

МО

1.5

0.5

				3

				1
				1

2000

4000

8000

V,cmj

6000

б)

а)

Рисунок 1 - а) Зависимость s от объема камеры (при Н= 8, 10, 12 г/м ). Расчетные значения; б) Зависимость 8s от объема камеры. 8s соответствует изменению влажности воздуха в диапазоне: 1- Н=(10+1)г/м3, 2- Н=(10+2)г/м3 , 3- Н=(10+5) г/м3. Расчетные значения

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1852аа Для получения значения оптимального объема выполнен расчет относительной погрешности измерений при С =400 Бк/м и Т=40 мин. На рис. 2 показан вклад различных источников погрешности измерений в суммарную погрешность: а) при неконтролируемом изменении влажности и б) при контроле влажности датчиком с введением поправки.

0а 200 400 600 800 1000а ' 0 100аа 200аа 300аа 400

V, СМ3а V, СМ3

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость относительной погрешности измерений ОА радона от чувствительного объема камеры радиометра при геофизических измерениях (С =400 Бк/м , Т=40 мин): 1 - статистическая погрешность, 2 - систематическая, обусловленная влажностью воздуха (а) - при контроле влажности с точностью 1 г/м , б) - при отсутствии контроля влажности, 3- суммарная погрешность

Относительная погрешность измерений (рис. 2) с ростом V сначала снижается, что обусловлено увеличением чувствительности и, соответственно, снижением статистической погрешности. Затем она начинает возрастать, из-за большего влияния влажности воздуха на эффективность ЭО при большем объеме (см. рис. 1).

При наличии средств контроля влажности (рис. 2а) относительная погрешность измерений минимальна при V около 600 см и далее с увеличением V возрастает слабо. В случае отсутствия поправки на влажность и при условии, что влажность может меняться в диапазоне от 5 до 15 г/м (рис. 26), оптимальный объем камеры с учетом ожидаемых уровней О А радона должен составлять около 100 см .

На рис. 3 представлены результаты измерений радона, выделяющегося из проточной термальной воды самоизливающейся скважины К-88, а также показания датчиков температуры и влажности, установленных в камере. Хорошо заметны суточные колебания температуры.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1853а

400

о: О

Ша ill

Х1

iff

1'11 г

0а 1а 2 3а 4 5а 6 7а 8а 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

t, сут

П,

0 1а 2 3а 4 5а 6 7а 8а 9аа 10а 11аа 12а 13а 14а 15аа 16а 17аа 18а 19аа 20 21аа 22 23аа 24а 25а 26 27аа 28а 29а 30 31аа 32 33а 34а 35аа 36 37а 38а 39аа 40 41аа 42 43

t, сут

Хбо

-^^^^^^^^"^^^^"'^^^^W^fflfr

t, сут Рисунок 3 - Результаты измерений радона в проточной термальной воде из глубокой скважины К-88, полученные в течение 9 мая -а 19 июня 2003а г. Зависимость ОА Rn, температуры и относительной влажности воздуха в измерительной камере от времени

5. Выводы

Таким образом, в результате проделанной работы сделан вывод о том, что метод регистрации радона при помощи электроосаждения ДПР является наиболее приемлемым для контроля радона при организации комплексных геохимических наблюдений, с учетом предъявляемых требований. Расчетное моделирование физических процессов, происходящих с ионами ДПР, позволяет заключить, что увеличение чувствительного объема камеры с электроосаждением не всегда приводит к росту точности измерений. Выполненные расчетные оценки показали, что датчик радона, оптимизированный для глубокой термальной скважины К-88 (Карымшинское месторождение термальных вод), должен включать в себя камеру объемом не менее 500 см с датчиком влажности, при этом относительная погрешность измерений ОА радона не будет превышать 20%; либо (при отсутствии контроля влажности) камеру объемом 100 см , при этом погрешность составляет около 35%. Радиометры радона с датчиками, изготовленными с учетом данных

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1854 Для установления корреляции между изменениями ОА радона и геофизической обстановкой необходим анализ большой массы данных измерений, который будет проведен в будущем.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 02-05-64237).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.а Киссин И.Г. О вероятном механизме вибрационных эффектов и о виброчувствительности

насыщенных сред.аа Проблемы нелинейной сейсмики. М.: Наука -1987.- С. 210- 221.

Яковлев Л.У., Боревскии Л.В. Взаимное влияние гидродинамических, химических и термических процессов в земной коре // Геохимия, №8 -9, -1994.- С. 1227-1238.
Зубков СИ. Радоновые предвестники землетрясений // В и С, 1981, №6, с. 74-104.
Dubinchuk V.T. Isotopic and geochemical precursors of earthquakes and volcanic eruptions / Proceedings of an Advisory Group Meeting Held in Vienna, 9-12 September 1991, International Atomic Energy Agency (IAEA), November 1993. IAEA TECDOC - 726.
Войтов Г.И. Мониторинг радона атмосферы подпочв сейсмически активной Средней Азии // Физика Земли, -1998.- №1, с. 27- 38.
Тыминский В.Г. О роли радиогидрохимических показателей при изучении тектонической активности региона // Геохимия. - 1971-, №1, с 107 - 110.

7.аа Сердюкова А.С., Капитанов Ю.Т. Изотопы радона и короткоживущие продукты их

распада в природе. М.: Атомиздат, 1963. - 312 с.

8. Жуковский М.В., Ярмошенко И.В. Радон: измерение, дозы, оценка риска. -

Екатеринбург.: УрО РАН, 1997. - 232 с.

9.а Takeuchi Y. et al. Development of high sensitivity radon detectors //Nucl. Instr. Meth. -1999.-

A421, pp. 334-341.

Коренков И.П., Воронин К.В., Иванов СИ. и др. Сравнительная оценка показаний разных типов радонметров // Атомная энергия. -1996.- т. 81, вып. 1, июль, с. 15-25.
Афонин А.А., Котляров А.А., Максимов А.Ю. Установка для изучения процессов нейтрализации радиоактивных ионов в воздухе //Приборы и техника эксперимента. -2003. -т.46, № 1, с. 119-122.

Все научные статьи

Blog

Котляров А.А., Максимов А.Ю., Кузьмин Ю.Д., Воропаев В.Ф. Параметры датчиков радона для контроля геофизической активности