Аномальные вариации естественного нейтронного потока в сейсмически активной зоне
Остапенко Виталий Федорович, канд. физ.-мат. наук, СНС, ИС НАН РК, © Красноперов Владимир Анатольевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик РАЕН, Университет Сулеймана Демиреля.
В сейсмической зоне близ Алматы (Казахстан) с 1996 года ведутся наблюдения за вариациями естественного нейтронного потока под землей на глубине порядка 40 м водного эквивалента. На протяжении часового интервала скорость счета нейтронов резко увеличивается по сравнению с фоном за счет спонтанного деления ядер урана и взаимодействия альфа-частиц естественных радионуклидов с ядрами атомов легких элементов, входящих в состав вещества земной коры и атмосферы. Это происходит накануне активизации сейсмических процессов, Возрастание интенсивности нейтронного потока чаще всего опережает их на время от 1часа до 10 суток. 70% ТАКИХ СОБЫТИЙ УКЛАДЫВАЕТСЯ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ ДО 4СУТОК. Между скоростью счета нейтронов и энергетическим классом последующих землетрясений, эпицентры которых находились на удалении до 400 км., прослеживается линейная зависимость. Отмечаемые нами изменения нейтронного потока обусловлены, по нашему мнению, вариациями мю-мезонной компоненты космических лучей, связанными с изменением состояния межпланетного пространства (солнечный ветер), во время вспышек на Солнце. Энергия солнечного ветра, передаваясь Земле, приводит в действие спусковой механизм процесса возникновения землетрясений в тех местах, где для них уже подготовлены условия.
Нами с 1996 года проводятся непрерывные наблюдения за величиной естественного нейтронного потока (НП) в штольне вблизи Алматы (Казахстан) на высоте 1600 м над уровнем моря, а через год начаты аналогичные работы и на поверхности в том же районе. Замеры производятся с накоплением данных в течение часового интервала.
Обнаружено, что иногда величина НП на часовом интервале резко возрастает по сравнению с обычной. Статистическое распределение разбросов величины НП близко к нормальному, однако количество отклонений от среднего значения, превышающих его более чем на утроенную среднеквадратичную погрешность, выше в два с лишним раза теоретически ожидаемого из распределения Гаусса. Такие значения мы принимаем за аномальные. Очевидно, существует некий природный фактор, который обуславливает появление подобных аномалий.
Известно, что естественный нейтронный поток состоит из трех компонент. Во-первых, нейтроны образуются в результате взаимодействия космического излучения с атомными ядрами вещества атмосферы и земной коры. Во-вторых, свободные нейтроны выделяются при спонтанном делении ядер урана. Наконец, нейтроны могут образовываться в ядерных реакциях при взаимодействии альфа-частиц естественных радионуклидов с атомными ядрами легких элементов, входящими в состав атмосферы и земной коры.
Следовательно, изменение величины НП может вызываться либо вариациями интенсивности космических лучей, либо изменением концентрации урана и других радиоактивных элементов, испускающих альфа-частицы, в пространстве, прилегающем к месту расположения детектора нейтронов.
Обработка результатов измерений показала, что аномальные возрастания величины НП не удается объяснить дополнительным притоком радона - наиболее подвижного в природе радиоактивного элемента. Дело в том, что в штольне, плотно закрытой дверьми, отсутствует вентиляция воздуха, поэтому при дополнительном притоке радона аномалии НП должны были бы наблюдаться в течение времени, существенно превышающего часовой интервал, так как период полураспада радона составляет 3,8 суток.
Содержание других радиоактивных элементов в окружающем детектор нейтронов пространстве остается практически неизменным. Таким образом, причиной изменения величины НП, скорее всего, являются вариации космических лучей и, в частности, вариации мю-мезонов, относящихся к их жесткой компоненте, так как только эти частицы способны проникнуть в штольню через десятки метров горной породы. К тому же оценки показывают, что в наших условиях в штольне нейтронная компонента, образованная под действием космического излучения, составляет около 90% от всего регистрируемого подземного НП.
При анализе результатов измерений было установлено, что между величиной НП и сейсмическими событиями имеется определенная связь. Периоды увеличения частоты появления аномалий обычно совпадают с периодами возрастания сейсмической активности (см. рис.1-3).
Рисунок 1. Сопоставление моментов возникновения аномалий НП и землетрясений.
1 усл.ед.- землетрясения энергетических классов K ³ 10 , 0,75 усл.ед. - аномалии наземного НП, 0,5 усл.ед. - аномалии подземного НП.
Рисунок 2. Сглаженные кривые распределения во времени моментов возникновения аномалий подземного НП (1) и землетрясений энергетических классов К³ 10 (2).
Рисунок 3. То же, что и на рис.2, но для 1999-го года.
Аномально большие значения величины НП, зарегистрированные на часовом интервале, сопровождаются, как правило, последующими землетрясениями с энергетическими классами К ³ 10, эпицентры которых располагаются в радиусе до 450 км от места регистрации НП. В качестве иллюстрации подобного явления приведен рис. 4.
Рисунок 4. Фрагмент временного ряда подземного НП. 1 и 2 моменты землетрясений энергетических классов 12.2 и 12,7 с эпицентрами, находящимися на расстоянии от места измерения НП 120 и 335км соответственно.
Аномалии опережают землетрясения на время от 1 часа до 10 суток, но в основном (до 70% случаев) этот временной интервал не превышает 4 суток. Отмечена также тенденция роста величины аномалии с увеличением энергетического класса последующего землетрясения (рис.5).
Рисунок 5. Зависимость амплитуды аномалии подземного НП от энергетического класса землетрясений.
Все это не противоречит данным, опубликованным в литературе. Так, в работе армянских исследователей [1] указано, что за 30 минут до Спитакского землетрясения в стратосфере над Ереваном наблюдалось 100%-ное увеличение жесткой компоненты космических лучей. В другой работе [2] отмечается линейная зависимость интенсивности космических лучей, регистрируемых нейтронными мониторами, от общего энерговыделения при землетрясениях по всему Земному шару. Указывается также [3], что на Баксанской нейтринной обсерватории были зарегистрированы кратковременные (не более 15 минут) всплески мю-мезонов высоких энергий, обусловленных выбросами солнечного вещества в межпланетное пространство при вспышках на Солнце.
Природа связи между НП и землетрясениями пока не ясна. Предполагается, что аномалии НП вызываются вариациями интенсивности космических лучей под действием потоков солнечного вещества, выбрасываемого в межпланетное пространство (солнечный ветер) во время вспышек на Солнце. Энергия же солнечного ветра, передаваемая Земле, приводит в действие спусковой механизм процесса возникновения землетрясений в тех местах, где для них уже подготовлены условия.
За период наблюдений в радиусе до 450 км от места расположения детектора нейтронов произошло 44 землетрясения с классами от 12 до 12,9 и 18 землетрясений с классами K ³ 13. Все землетрясения второй группы предварялись аномалиями НП. В первой же группе только 5 землетрясений произошло без предварительных аномалий (см. табл. 1).
Таблица 1
Сопоставление аномалий подземного НП с последующими землетрясениями классов K ³ 11 за период с 13.03.1996 по 18.11.2001 г.
| Годы | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | Всего |
| Общее кол-во аномалий | 329 | 310 | 272 | 206 | 82 | 26 | 1225 |
| Кол-во ложных аномалий | 73 | 29 | 5 | 33 | 20 | 9 | 169 |
| % ложных аномалий | 22 | 9 | 2 | 16 | 25 | 35 | 14 |
| Общее кол-во землетрясений по классам:11-11,912-12,913-13,9³ 14 | 125-1 | 461563 | 471161 | 1851- | 174-- | 94-- | 14944135 |
| Всего | 18 | 70 | 65 | 24 | 21 | 13 | 211 |
| Пропущено землетрясений по классам:11-11,912-12,913-13,9³ 14 | ---- | ---- | -1-- | ---- | 11-- | 53-- | 65-- |
Из всего сказанного следует вывод о том, что аномалии НП могут быть использованы в качестве существенной дополнительной информации к классическим геофизическим методам при краткосрочном прогнозе землетрясений.
Список литературы
Асатрян Г.А., Асатрян Гр.А., Бабаян В.Х., Стожков Ю.И., Оганян Г.Ж. //Изв. АН СССР, Сер. физ. 1991. Т. 55. № 10. С. 1979-1981.
Соболев Г.А., Шестопалов И.П., Харин Е.П. Геоэффективные солнечные вспышки и сейсмическая активность Земли. // Физика Земли. 1998. № 7. С. 85-90.
Карпов С.Н., Мирошниченко Л.И. Вашенюк Э.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. Т. 61. № 7. С. 1466-1469.