Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2023, T. 509, № 1, стр. 15-20

ЛИДАР И МОНИТОРИНГ МАГМАТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

В 2019 г. компактный аэрозольный лидар с безопасным уровнем излучения (<1 мкДж/см²) был установлен в конце вспомогательной штольни БНО (ширина штольни ~4.4 м, высота ~3.4 м) в тоннеле-тупике длиной 50 м и диаметром ~3 м (лаборатория № 2 Института физики Земли РАН). Лидар был собран на базе лазерного диода (SPL PL90_3, OSRAM) и однофотонного лавинного фотодиода (SPAD) (SAP 500 T6, Laser Components). Для генерации лазером коротких импульсов (~2.7 нс) с энергией ~0.2 мкДж мы разработали генератор импульсов тока [17]. Лидар был размещен в 10 м от входа и направлен в сторону глухой стены.

Принцип работы лидара в режиме формирования гистограмм фотоотсчетов с шагом дискретизации 10 см, разработанный нами ранее [18], обеспечивал лидарное зондирование динамики аэрозолей в автономном режиме с анализом данных и удаленным управлением из лаборатории ИОФ РАН в г. Москве [13, 14]. В каждом сеансе зондирования с интервалом 30 мин лазер излучал 100 000 импульсов с частотой повторения 10 кГц. Лидар суммировал фотоотсчеты от зарегистрированных фотонов, рассеянных на аэрозолях вдоль трассы и от стены в обратном направлении [13, 18, 19]. Пример вариации сигналов рассеяния на аэрозолях и пропускания трассы на круговом обходе фотонов импульса лазера до стены и обратно в окрестности скачка-ступени и большого выброса аэрозолей показан на панели (а) рис. 1 (линии 2 и 1 соответственно). Сигналы рассеяния на аэрозолях отчетливо показывают два уровня с низким, до ступени (слева), и высоким, после ступени (справа), содержанием аэрозолей в тоннеле, а также три скачка сигнала лидара с доминированием среднего из них. На панелях (б)–(г) представлены гистограммы распределения фото-отсчетов  вдоль трассы в сеансах зондирования, отмеченных стрелками (б), (в) и (г) на панели (а) рис. 1.

Рис. 1.

a – Фрагмент (28.10–30.10.2019) временного ряда лидарного сигнала рассеяния на круговом обходе до стены и обратно (пропускание трассы) (линия 1) и на аэрозолях (линия 2). Стрелки отмечают сеансы измерений при низкой (б) и высокой (в) концентрации аэрозолей, а также в максимуме скачка сигнала лидара (г). Пунктиром отмечена граница трассы 0–26 м, на которой суммировали фотоотсчеты сигнала рассеяния на аэрозолях. Амплитуда рассеяния от стены (пик на 27–28 м) показана не полностью. Время на оси абсциссы на панеле (а) дано по шкале “всемирного координированного времени” (UTC).

Из рис. 1а (кривая 2) видно, что в 22: 30 UTC началось быстрое (30 мин) наполнение тоннеля аэрозолями с последующим замедлением. Через 2 ч концентрация аэрозолей увеличилась втрое и осталась на этом уровне без следов релаксации. Сигнал пропускания трассы (рис. 1, верхняя кривая 1) имеет зависимость, зеркальную к сигналу вариации аэрозолей. Антикорреляция сигнала пропускания лидара подтверждает, что лидар работает в линейном режиме регистрации фотоотсчетов, и показывает, что трасса заполнилась аэрозолями, которые увеличили потери фотонов на круговом обходе. Кроме того, после резкого роста концентрации аэрозолей был зарегистрирован импульс сигнала лидара с двукратным увеличением амплитуды фотоотсчетов относительно среднего уровня, но с быстрой (~30 мин) релаксацией. Дополнительно были детально проанализированы гистограммы фотоотсчетов, соответствующие характерным уровням сигналов аэрозольного рассеяния (рис. 2): при низкой концентрации аэрозолей 28.10 (рис. 1а, стрелка слева), в максимуме второго скачка (29.10) и на высоком (30.10) уровне концентрации (рис. 1б, стрелка справа).

Рис. 2.

Фрагменты временных рядов сигналов лидара (полые круги, левая ось ординат), температуры (тонкая линия, правая красная ось ординат) и лазерного деформографа (толстая линия, правая синяя ось ординат) в период от 28 до 31 октября 2019 г. Время на оси абсциссы приведено по шкале UTC.

Таким образом, из рис. 1, 2 следует, что обнаруженный скачок концентрации аэрозолей может быть вызван геофизическими процессами, которые индуцировали повышение концентрации аэрозоля в окрестности тоннеля-тупика БНО. Вполне вероятно ожидать, что эти процессы должны отразиться на измерениях лазерного деформографа (расширение-сжатие коры Земли) [16, 17], а также температуры внутри тоннеля из-за поступления горячих газов и вариации объемной активности радона и уровня влажности воздуха, датчики которых были установлены ранее [14]. Температуру воздуха в тоннеле измеряли разработанными специалистами ИФЗ РАН [18, 20] прецизионными (∆t = ±0.005°C) датчиками, которые позволили зарегистрировать приливные волны [20]. Для удобства анализа эти данные сведены вместе с кривой сигнала лидара на рис. 2, 3. На рисунках используется шкала времени UTC.

Рис. 3.

Вариация сигналов влажности (сплошные круги, правая синяя ось ординат) и объемной активности радона (сплошные квадраты, правая красная ось ординат) и сигнала лидара (полые круги, левая ось ординат) на временном отрезке 28–30 октября 2019 г. Время на оси абсциссы приведено по шкале UTC.

Анализ зависимостей показывает, что приливные вариации (рис. 2, толстая линия) коррелируют с вариациями температуры (тонкая линия) и увеличением сигнала лидара (полые круги) 28–30 октября. Отметим, что скачок концентрации аэрозоля (увеличение сигнала лидара) синхронизован с ростом температуры. Наблюдаемая динамика, скорее всего, является следствием расширения трещин/пор породы и наполнения тоннеля горячими магматическими газами из неглубокой (1.5 км, [1]) локальной камеры, которые повышают температуру в тоннеле и транспортируют аэрозоли (см. карту на рис. 4). Однако развитие скачка лидарного сигнала (трехкратный рост аэрозольного рассеяния) не соответствует этому механизму, поскольку происходит на фазе снижения приливных изменений напряженно-деформированного состояния геофизической среды (рис. 2, толстая линия).

Рис. 4.

Поселок Нейтрино, главная штольня БНО и эпицентры локальных сейсмических очагов (кружки) показаны на карте рельефа. Места размещения в зале в конце штольни БНО одного трехкомпонентного и шести вертикальных сейсмометров отмечены квадратом и треугольниками. Диаметр кругов, отмечающих локальные сейсмические очаги, увеличивается пропорционально энергии возмущения коры Земли. Рисунок воспроизведен из работы [1].

Другим механизмом “скачка” концентрации аэрозолей может быть доставка магматическими газами радиоактивного радона (²²²Rn) и продуктов его распада, которые индуцируют формирование ионов и рост аэрозолей на них [21]. Из рис. 3 видно, что вариации объемной активности радона (квадраты) в окрестности “скачка” и большого сигнала лидара незначительны, что может быть обусловлено большим временем усреднения измерений (4 ч) датчиком радона (RADEX MR107). Напротив, вариации влажности (сплошные круги) коррелируют с сигналом лидара, но не отражают его “скачка”. Так, динамики образования аэрозолей в окрестности большого импульса сигнала лидара и влажности практически совпадают. Это совпадение указывает на процесс конденсации паров Н₂О с образованием аэрозолей, а также на корреляцию с приливными изменениями напряженно-деформированного состояния геофизической среды и повышением температуры (рис. 2). Однако нет никаких заметных изменений сигналов в окрестности “скачка”. Поэтому вопрос объяснения процесса трехкратного скачкообразного увеличения (за 30 мин) концентрации аэрозолей в тоннеле остается пока открытым.

Заметим, что даже небольшое повышение температуры воздуха в относительно горячем (36–40°С) тоннеле через трещины при расширении коры Земли указывает на неглубокое залегание локального источника горячих газов и паров Н₂О. Таким источником под штольнями БНО могут являться магматические структуры, существование которых объясняет локальную сейсмическую активность в окрестности горы Андырчи [1]. Небольшая глубина залегания магматических очагов относительно штолен БНО дает основание ожидать диффузионный нагрев скальной породы в туннелях БНО благодаря теплопроводности, а также нагрев горячими магматическими газами, которые поднимаются по трещинам и порам.

Таким образом, с помощью аэрозольного лидара на диодном лазере, нового инструмента мониторинга магматической активности, размещенном в горячем тоннеле-тупике в конце штольни БНО, был зарегистрирован трехкратный “скачок” концентрации аэрозолей 28.10.2019 в 22:30 (UTC). Кроме того, были зарегистрированы большие кратковременные выбросы аэрозолей, синхронно с повышением температуры, влажности и расширением коры Земли (данные лазерного деформографа), что указывает на близко-расположенную магматическую камеру неглубокого залегания. При этом в вариациях радиоактивности радона следов синхронизации с сигналами лидара обнаружено не было, что снижает его вклад в формирование аэрозолей на ионах [21]. Существенно заметить, что только лидар обнаружил трехкратный скачок концентрации аэрозолей, а другие датчики не “заметили” этого события. Такой сценарий возможен при поступлении в штольни БНО и в тупиковый тоннель ионов (или радиоактивных аэрозолей), на который указывает регистрация 4-кратного увеличения потока гамма-квантов в зале Подземного сцинтилляционного телескопа БНО [22] в период обнаружения лидаром “скачка” концентрации аэрозолей. Отметим также, что механизм просветления атмосферы в тоннеле (снижение лидарного сигнала 28 и 29 октября и его биполярная форма, см. рис. 3) синхронно, но не всегда (30.10.2019), с уменьшением влажности остается пока неясным и требует отдельного изучения.