Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 666-669

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдение вариаций радиоактивного газа радон-222, имеющего период полураспада 3.8 дня, образующегося в земной коре в результате распадов урановой цепочки естественной радиоактивности, является хорошо изученным инструментом в сейсмологии [1], носпоры о возможности использования аномального поведения концентрации радона в воздухе продолжаются до сих пор. Дело в том, что концентрация радона в воздухе отражает не только состояние земной коры, но и зависит от других факторов, таких как ветер, вентиляция, погодные условия и т.д., что существенно усложняет задачу по выявлению вариаций, связанных с колебаниями земной коры. Мы предлагаем альтернативный метод изучения, основанный на регистрации тепловых нейтронов, образующихся в земной коре в результате (α,n)-реакций на легких ядрах (Be, B, F, Al, Mg, Si и др.). Урановая цепочка альфа-активных ядер тяжелее Rn-222 дает незначительный вклад в генерацию нейтронов по двум причинам: во-первых, эти ядра долгоживущие и, во-вторых, энергия образующихся α-частиц не превышает 4.9 МэВ, что заметно подавляет выход нейтронов в пороговых реакциях. После распада Rn-222 идет цепочка короткоживущих изотопов, а энергия α-частиц достигает 7.7 МэВ, которые и дают максимальный вклад в генерацию нейтронов. Газ радон подхватывается другими подземными газами и вместе с ними способен распространяться на значительные расстояния в десятки метров, накапливаясь в подземных полостях и порах, распространяясь с подземными водами. Распады радона и дочерних ядер в грунте приводят к генерации нейтронов, которые замедляясь в окружающей среде, могут регистрироваться детекторами тепловых нейтронов.Тепловые нейтроны могут диффундировать в грунте на расстояния ~1 метра. Т. о., детектор тепловых нейтронов регистрирует нейтроны, рожденные в грунте (бетоне) толщиной 1–2 м, в то время как концентрация радона в этом слое зависит от свойств слоя грунта порядка длины диффузии радона. Изменения свойств этого слоя вызывают изменения скорости счета тепловых нейтронов. Отметим, что (α, n)-реакции в воздухе не происходят из-за отсутствия там подходящих ядер-мишеней. Т. о., регистрируемый поток тепловых нейтронов чувствителен только к концентрации радона в грунте и не чувствителен к концентрации радона в воздухе, а значит, и к указанным факторам нестабильности. В то же время, находясь в равновесии с окружающей средой, поток тепловых нейтронов чувствителен к состоянию этой среды – ее температуре, пористости, уровню грунтовых вод и т.д. Пористость верхних слоев грунта меняется при любых колебаниях земной коры как во время землетрясений, так и, возможно, при их подготовке. Регистрироваться должны именно тепловые нейтроны, время жизни которых в обычном грунте составляет около 1 мс. В нашем эксперименте непрерывное наблюдение фонового потока тепловых нейтронов осуществлялось специальными электронно-нейтронными детекторами (эн-детекторами) [2], расположенными на высоте 4300 м над уровнем моря. В отличие от нейтронных мониторов, эн-детекторы чувствительны к тепловым нейтронам.

1. УСТАНОВКА

Экспериментальная установкаPRISMA-YBJ [3], прототип большой установки (проект PRISMA [4]) для изучения ШАЛ (Широких Атмосферных Ливней),проработала 3.5 г. в Тибете на высокогорном плато Yangbajing на высоте 4300 м над уровнем моря в центре ангара установки ARGO-YBJ [5]. Она состояла из 4-х э-н-детекторов, площадью 0.35 м² каждый, способных регистрировать как тепловые нейтроны, так и одновременное прохождение нескольких заряженных частиц. Сигнал от одиночной заряженной частицы лежит ниже порога регистрации, составляющего ~3 частицы. В основе детектора лежит неорганический светосостав ⁶LiF + ZnS(Ag), представляющий собой сплав фторида лития, обогащенный изотопом ⁶Li до 90%, с сульфидом цинка – хорошо известным сцинтиллятором. При захвате нейтрона происходит реакция ⁶Li(n, α)³Н с выделением 4.78 МэВ энергии, которую тритон и альфа-частица теряют в тонком слое ZnS(Ag). Данная методика позволяет разделять по форме импульса сигналы от захвата нейтрона (“нейтроны”) и от одновременного прохождения нескольких заряженных частиц через сцинтиллятор (“заряженные”) при помощи оцифровки импульсов с использованием флэш-АЦП. Онлайн-программа записывалана диск числа зарегистрированных импульсов, отобранных как “нейтроны”, и фоновых,типа “заряженные”, в каждом эн-детекторе каждые пять мин.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ

По данным этой установки уже опубликованы работы, в том числе и по вариациям природного потока тепловых нейтронов [6, 7]. Наблюдались суточные, сезонные, лунно-приливные и долговременные вариации. Было показано [7], что события типа “заряженные” связаны с распадами ядер радона в воздухе. Т. о., один и тот же детектор может одновременно мониторивать концентрацию радона и воздухе и в грунте, что и было использовано в анализе.

В апреле–мае 2015 г. произошла серия мощных землетрясений в Непале на расстоянии ~600 км от Янгбаджинга (см. рис. 1). Анализ данных показал наличие отклика эн-детекторов PRISMA-YBJ на некоторые из этих землетрясений. Результат представлен на рис. 2 сверху. Усредненные за 8 ч точки для нейтронов и “заряженных” идут, как правило, в противофазе (верхний график). Однако в дни мощных толчков, либо на следующий день фазы кривых совпадают (26.04 и 12.05). Для того чтобы подчеркнуть эту аномалию, мы ввели новый параметр – сумма нормированных последовательностей, а именно: Σ = n_норм + ch_норм – 1, где n_норм – нормированная скорость счета нейтронов, а ch_норм – нормированная скорость счета “заряженных”. Поведение этого параметра показано на рис. 2 внизу. Видно, что сигнал хорошо выделяется на фоне шума. Так, амплитуда пика 26.04 составляет 9.5σ, а 12.05 около 6.5σ. Это максимальные значения параметра Σ за все время наблюдения. Всего же за 3.5 года было зарегистрировано 6 пиков с амплитудой более 6σ, из которых 3 совпали с землетрясениями в радиусе 600 км, один совпал с мощной геомагнитной бурей (Кр = = 7, 08.05.16) и два мы не смогли сопоставить с какими-либо геофизическими явлениями. Т.о., за 3.5 года было только 2 ложных сигнала, что является хорошим результатом по сравнению с частыми ложными сигналами стандартных радонометров. Из-за ограничения на размер статьи, мы не приводим здесь графики других событий. Для интерпретации полученных результатов требуется понять процессы, происходящие в земной коре и ответить на ряд вопросов:

Рис. 1.

Карта очагов землетрясений, произошедших в Непале в апреле–мае 2015 г. и в октябре 2016 г., с сайта Европейско-Средиземноморского сейсмологического центра EMSC (https://www.emsc-csem.org/#2). Диаметр кружка вокруг эпицентра пропорционален магнитуде землетрясения.

Рис. 2.

Отклик установки PRISMA-YBJ на землетрясения в апреле–мае 2015 г. Сверху – 5-минутные точки, усредненные скользящим средним за 8 ч для обеих наблюдаемых эн-детекторами компонент – “нейтроны” (1) и “заряженные” (2). Внизу – параметр Σ, сглаженный 8-часовым скользящим средним с применением фильтра низких частот (<0.5 сут^–1). Стрелки показывают моменты мощнейших толчков магнитудой более 6.

• почему отклик на мощнейший толчок (25.04) произошел лишь на следующий день 26.04?

• почему отклик на второй по мощности толчок (12.05) произошел в тот же день?

• как формируется нейтронная суточная волна и почему происходит сбой ее фазы?

• почему есть отклик даже на относительно слабые толчки с М ~ 4–4.6, если они повторились через ~24 ч (что мы наблюдали в октябре 2016 г.) и не видим эффекта от более сильных одиночных землетрясений с эпицентрами к востоку от Янгбаджинга? Возможно работает некий резонансный механизм, раскачивающий суточную волну? Или наоборот, приливная волна способна инициировать начало землетрясения? О существовании корреляций моментов землетрясений с фазами приливных волн отмечено в работе [8].

• как все это связано с геологией?

Мы не беремся отвечать на эти сложные вопросы. Надеемся, что это когда-нибудь сделают геофизики. Пока мы лишь демонстрируем новый метод изучения этих сложных процессов, с использованием ядерно-физических инструментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эн-детекторы, разработанные нами для регистрации нейтронов в широких атмосферных ливнях (проект PRISMA), оказались хорошим инструментом для геофизических исследований. Полученные результаты демонстрируют чувствительность природного потока тепловых нейтронов к землетрясениям с эпицентром на расстояниях более 500 км. Землетрясения, как и любые вибрации и колебания, изменяют свойства земной коры и ее поверхностного слоя, что и приводит к изменению скорости диффузии радона из более глубоких слоев и к изменению скорости генерации нейтронов в (α, n)-реакциях при распадах α-активных нуклидов из цепочки радона в грунте вблизи детектора. Глобальная сеть таких детекторов, позволила бы получить более подробные и статистически обеспеченные данные, на основе которых, возможно, в дальнейшем удастся понять природу явления и ответить на поставленные выше вопросы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 16-29-13067_офи_м, № 18-02-00339) и Программы Президиума РАН “Физика фундаментальных взаимодействий и ядерные технологии”.