WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

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. Поэтому 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 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 (РГА-04). 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 – g; 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 изменения величины ускорения свободного падения (g) (для г. Екатеринбурга) за счет приливных влияний Луны и Солнца. Сходный характер изменений кривых 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 3-4 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 – g; 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.

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

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 трещиновато-пористого 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 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

После

накопления Rn,

ОАР Бк/м3

После

удаления Rn,

ОАР Бк /м3

После нагрева

до 180 0С,

ОАР Бк/м3

0,25-0,5

327

0

270

0,8-1,2

500

0

550

4,0-6,0

618

0

685

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»