Harder Singh Virk, Amritsari Egyetem, India
Vastagh György, Lóczy Lajos Gimnázium, Balatonfüred

A földrengés egyike a legszörnyűbb csapásoknak a Földön, becslések szerint a történelmi feljegyzések kezdeteitől máig körülbelül 75 millió emberi életet követelt. A földrengések okozta halálesetek éves száma átlagosan 15000 fölött van, 1990-ben több mint 50000 ember pusztult el Ázsiában a földrengések következtében. Az anyagi kár milliárd dollárokra rúg. Minden évben átlagosan körülbelül 1000 földrengés pattan ki 5-ös fokozatúnál (Richter-skála) nagyobb magnitúdóval, számos 6-8 magnitúdójú van és előfordulhat egy 8-asnál nagyobb erősséggel, de háromévenként egy szörnyen pusztító erejű bárhol bekövetkezhet a Földön.

A földrengések előrejelzésének pontos fizikai mechanizmusát ma még nem ismerjük teljesen. Földrengések pontos előrejelzése még csak távoli álom. Csupán empirikus megközelítést alkalmaztak az ezzel foglalkozó különböző csoportok.

A radon az egyedüli radioaktív nemesgáz, nem lép kémiai reakcióba földbeni környezetével, legyen az kőzet, gáz vagy víz. A tudósok hamar elcsábultak, hogy felhasználják a radont földtudományi vizsgálatokban. A lehetséges összefüggés a radonkoncentrációban a rengést megelőzően bekövetkező anomáliák és az aktuális szeizmikus esemény között már néhány évtizeddel ezelőtt felkeltette a tudományos közösségek figyelmét.

Számos csoport munkálkodik az USA-ban, Oroszországban, Franciaországban, Kínában, Japánban, Mexikóban és Indiában azon, hogy kimutassa: a radon alkalmas a földrengés előrejelzésére.

A radon kiáramlása természetes ásványokból már az 1920-as évek óta ismert volt (Spitsyn, 1926), de kutatása egy lehetséges földrengés-előrejelző eszközként csupán a legutóbbi időkben vált általánossá. Okabe (1956) pozitív korrelációt fedezett fel a talajfelszínhez közeli légköri radontartalom napi változásai és a helyi szeizmikus események között Japánban.

Hosszútávú radonmérés az oroszországi taskenti artézi medencében először nyújtotta azt a tapasztalatot, hogy a radon alkalmas a földrengés előrejelzésére. A szokásos radontartalomban bekövetkező jelentős változást első esetben egy mély kútban figyelték meg az 1966-os taskenti földrengéskor. Azóta számos földrengéshez kapcsolódóan észleltek radonanomáliákat a talajvízben, és a talajban található gázokban olyan állomásokon, melyek száz kilométernyi távolságban voltak a rezgések epicentrumától.

A kínai haichengi és songpani földrengések sikeres előrejelzése arra a következtetésre vezették az embereket, hogy talán nincs is oly messze egy jelentős előrelépés a földrengés-előrejelzésben. Ugyanakkor a haichengihez hasonló feltételek között és azonos módszerrel végzett megfigyelés, mely ott sikert hozott, Tangshanban kudarccal járt, ahol az 1976-os pusztító erejű földrengés 200000 embert ölt meg.

A radon előfordulása természetes környezetben már hamar, az elem 1900-as felfedezése után ismertté vált. A radongáz (Rn-222) folyamatosan termelődik a kőzetekben található rádiumból, mint az U-238 bomlási sorának egyik terméke. A radon tovább bomlik 3,83 napos felezési idővel 5,48 MeV (0,877 pJ) energiájú -részeket bocsátva ki. A radonnak van még másik két izotópja: a toron (Rn-220) és az aktinon (Rn-219), melyek a Th-232, illetve az U-235 bomlási sorához tartoznak. Rövid felezési idejük (54,4 s, illetve 3,9 s) miatt azonban gyakorlatilag elhanyagolható hozzájárulásuk a földrengés-előrejelzéshez. A Rn-222 az egyetlen izotóp, amely elégségesen hosszú felezési idővel rendelkezik ahhoz, hogy jelentős távolságra jusson el a keletkezési helyétől. A radonatom visszalökődési energiája 0,1 MeV (0,016 pJ), mozgástartománya normál kőzetsűrűség esetén az ásványszemcsék között megközelítőleg 3ˇ10^-6 cm. Levegőben azonban kétezerszer többet tud megtenni, azaz mintegy 6ˇ10^-3 cm-t. A semleges radonatom tehát bediffundálhat a kőzetbe és ott elbomolhat, de ki is szökhet.

A radonanomáliák nagymértékben függnek a talajbeli ásványok tektonikus rendellenességeinek kiterjedtségétől, amelyek megváltoztatják a felszíni területek mikrorepedéseit. A bekövetkező földrengés miatt a tágulási mechanizmus következtében, amikor a regionális feszültségek megnőnek, a kőzettömegek tágulása a kőzetfelület megnövekedését és a folyadékoknak a nyílásokon való kiáramlását okozhatja. Mindkét folyamat fokozza a radontranszportot az eredeti zárványból a talajvízbe vagy a forrásvizekbe. A természetes víz mindig detektálható mennyiségben tartalmaz radont. A földrengés okozta rázkódásoknak nagy része van abban, hogy kiszabadítja a vízben oldott radont, ezáltal létrehozva egy anomáliát. Az oldott radon a felkeveredés következtében hajlamossá válik más oldott gázokkal együtt felfelé áramlani a közegben, így magasabb radonkoncentráció jön létre a vízben vagy a talajban található gázokban. Mivel a radon (Rn-222) felezési ideje 3,83 nap, egy anomália eljutása a keletkezési helyétől az észlelőhelyig több mint 20 napig is eltarthat. A talajvíz áramlási sebességét meghatározza a kőzet áteresztőképessége és az adott terület hidrogradiense.

Megfigyelhető, hogy a radonanomáliák gyakran jelentkeznek földrengések előtt. A radonanomáliák együtt jár hatnak földrengés okozta lökéssel, de a lökés megérkezésének pontos ideje nem jósolható meg. A földrengés lökése érkezhet, amikor a radon éppen növekedési vagy csökkenési fázisban van. E viselkedés oka az észlelő el helyezkedése a földrengés epicentrumához képest. Egy kínai tanulmány szerint a közeledő kontinentális lemezel zónájában található radonmonitorok növekvő radonanomáliákat, míg a távolodó lemezek zónájában elhelyezettek csökkenést regisztrálnak.

Földrengés-előrejelzésre radonmegfigyelések térben és időben egyaránt szükségesek. A radonmegfigyelő állomást uránércmentes helyre telepítették, hogy ezzel is csökkentsék a háttérsugárzás mértékét. Radonmegfigyelő állomások létesültek India északnyugati szeizmikus tartományában, egészen közel a Himalája lábánál elhelyezkedő domboknál található fő törésvonalhoz.

A felszínközeli és a talajvízbeli radonkoncentrációkban jelentkező fluktuációkat mind egy folyamatos, mind pedig egy időintegrál-elven működő eszköz regisztrálta. E műszerek legfontosabb jellemzője a radon és lányai által kibocsátott a-részecskék detektálása.

A talajvízben található radon diszkrét mérésére a vízmintát egy 1 literes, radonreagenst tartalmazó üvegbe fogjuk föl, amely egy ZnS bevonatú detektáló kamrához kapcsolódik kézivezérlésű pumpán keresztül. CaCl₂ ot tartalmazó üvegballon is található a nedvesség abszorbeálására. A levegő 10 perces periódusidővel cirkulál a zárt körben, amíg a radon -aktivitását mérik. A méréseket a talajvízben egyugyanazon a helyszínen naponta végezték.

A folyamatos mérési rendszerben a talajvizet egy mélyfúrt kútból nyerik mintegy 100 m mélyről és folyamatosan átáramoltatják egy üvegedényen. Az üvegedény zártkörű kapcsolatban van egy detektáló kamrával. A radongázt egy kézivezérlésű gumipumpa segítségével - vízen átbugyborékoltatva - átáramoltatják az üvegedényből a detektáló kamrába. Diffúz kapcsolású szilikondetektort alkalmaznak a radon folyamatos méréséhez.

A radonemisszió nagyon érzékeny a környezeti zavarokra, befolyásolják a meteorológiai, valamint az évszakos változások, melyeket meg kell értenünk ahhoz, hogy megkülönböztethessük a valódi jelet a zajtól. A mérést hamis irányba befolyásoló hatások kiszűrése céljából a meteorológiai változók adatait (mint a levegő és a talaj hőmérséklete, a légköri nyomás, szélsebesség, páratartalom és csapadékmennyiség) folyamatosan rögzítik.

A radonemisszió pozitív korrelációt mutat a hőmérséklettel. A felszíni hőmérséklet növekedése nemcsak a talajban található radongáz kitágulását és így kiszökését eredményezi, hanem a talajfelszín részecskéi által abszorbeált különböző gőzök kibocsátását is. A radonemisszió növekszik a szélsebesség növekedésével is, mivel az felgyorsítja a talajgáz-áramlást ezáltal megnövelve a radontartalmat (a levegőben). A légköri nyomás és a radonemisszió között negatív korreláció figyelhető meg. Változó légnyomás pumpáló hatást fejthet ki a talajban található gázokra. A légnyomás növekedése visszanyomja a radonban szegény légköri levegőt a talajba, a radonkoncentráció csökkenését eredményezve, míg a nyomáscsökkenés segíti a radonban gazdag talajgáz kiáramlását a talaj mélyebb rétegeiből. A páratartalommal és a csapadékmennyiséggel is enyhe fordított kapcsolatot mutat a radonemisszió. Magasabb nedvességtartalom a talajban kioldja a diffundáló radont és az esővíz mélyebbre történő beszűrődése mechanikus hatásával eltávolítja a talajban található radont.

A radonanomáliát mi a következő módon definiáltuk: az olyan pozitív eltérés az átlagos radonszinttől, amely több, mint kétszeresen haladja meg a standard eltérést.

1. ábra. A talaj mért Rn-aktivitása. Jól láthatóak azok a kiugrások, amelyek megelőzték az 1989. augusztus 31-én, december 24-én, valamint az 1990. szeptember 3-án, 8-án, október 25-én, november 15-én, december 23-án és 1991. január 20-án a Himalája környékén észlelt föld rengéseket. A csúcsok több, mint kétszeres szórásnyival múlták Felül az átlagos értéket.

Számos olyan nagymértékű radonnövekedés regisztrálható, melyekben az eltérés (az átlagtól) sokkal nagyobb, mint a háttér szintje.

Változó időjárási feltételek között rögzített nagyfokú radonnövekedés azt sugallja, hogy a radonanomáliát sokkal inkább okozza földkéregben lejátszódó folyamat (zavar), mint légköri.

A talajvíz és a talaj radontartalmára vonatkozó mérések naponta és hetente történtek Palampurban 1989 augusztusa óta radon-emanométerrel és nyom-marásos technikával. A radon aktivitás-koncentrációjának átlagértékei napi mérés esetén 27,50ą2,5 Bq/l volt talajgázban 11,49 Bq/l standard eltérés mellett.

Az első megfigyelhető radonanomáliát, melyben a radonkoncentráció mintegy 70%-kal haladta meg az átlagos értéket, 1989. augusztus 30-án rögzítettük. Ugyanígy anomália volt észlelhető a talajvízben is, ahol a radonkoncentráció 60%-kal volt az átlagérték fölött. Mind a talajgázbeli, mind pedig a talajvízbeli radonanomáliát egy 2,8 magnitúdójú földrengés követte augusztus 31-én, melynek epicentruma Dharamsala tetületén volt, körülbelül 30 km-re a mérőállomástól.

Összességében 16 csúcs figyelhető meg a talajgáz és a talajvíz adatai között. A jeleknek a zajok miatti korrigálása után e csúcsok legtöbbje megfelelt a radonanomáliákra alkotott kritériumegyüttesnek. Mindegyik anomália kapcsolatba volt hozható az Észak-Nyugat Himalájában történt szeizmikus eseményekkel.

Két különböző megfigyelési helyről származó radonmérési adatok összehasonlítása néhány érdekes jellegzetességet mutat. Míg a Palampurban mért radonemanáció sokkal nagyobb mértékű volt a talajvízben a talajgázhoz képest, addig a Dalhausie mérőhelyen rögzített adatok pontosan fordított trendet mutatnak. Ennek oka a területek geológiai különbözősége lehet. Ráadásul a meteorológiai feltételek kevésbé érintik a talajvíz radonemanációját, míg a talajgázét jelentősen befolyásolják.

Az általunk több, mint 10 éven át talajban és talajvízben végzett radonmegfigyelési eredményeink, valamint mindazoké, akik ezen a területen munkálkodtak és eredményeiket a szakirodalomban közzé tették, azon következtetés levonására jogosítanak fel, hogy a radonanomáliákat általában szeizmikus aktivitás kíséri. Így a radon hasznos földrengés-előrejelzőként szolgálhat Indiában.

2. ábra

3. ábra

A balatonfüredi Lóczy Lajos Gimnáziumban diákokkal szintén vizsgáltuk a radonanomáliák esetleges kapcsolatát a földrengésekkel 1990. január 6-tól naponta 4 és fél éven át. 1487 mérési jegyzőkönyv készült. (Erről már beszámolt a FSz 1991/2 és Horizont 1995). Zárt térben (a gimnázium alagsorában, egy kis raktárhelyiségben) mértünk naponta egyszer.

A mérés a "porszívós" módszerrel történt (40 m3/h). A porszívó 30 percen keresztül szívta át a levegőt hatrétegű gézen. A poros géz számítógéphez kapcsolt végablakos GM-cső elé került, amely 5 percenként rögzítette az impulzusokat. A rendszert óraautomatika indította, így csak kétszer kellett bemenni a helyiségbe, csökkentve ezzel a radonkoncentráció befolyásolását. Az impulzusadatokat, valamint a műszerekről leolvasott: légnyomás, hőmérséklet, páratartalom értékeket rögzítették a tanulók a jegyzőkönyvbe. A földrengések fontos adatait (magnitúdó, mélység, helyszín) a Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet Földrengésjelző Obszervatóriumától kaptuk meg.

Az időjárási tényezőktől való függésre az indiaival azonos következtetésre jutottunk, bár a módszerünk lényegesen eltérő volt az általuk alkalmazottól, hiszen mi nem közvetlenül a radon -sugárzását mértük, hanem a gézre szívott leányainak ß-sugárzását.

A szakirodalomból tudtuk, hogy a hipocentrumban felszabaduló energia (E_H, joulej és a magnitúdó (M) között a következő összefüggés áll fenn: lgE_H = 4,4 + 1,5M. Ugyancsak a szakirodalomból tudtuk, hogy a geometriai szóródás gömbhullámok esetén 1/R arányú amplitúdócsökkenést jelent (R az észlelési hely és a hipocentrum távolsága km-ben), a rezgő rendszer energiája pedig az amplitúdó négyzetével arányos. Így az észlelési helyre érkező energia: E= E_H/R².

Ezért az előbbi két összefüggésből kapott:

lgE = 4,4 + 1,5M - 2lgR

képlettel számolt lgE értékeket vettük figyelembe, de annak a tudatában, hogy teljes pontosságra nem számíthatunk, hiszen maga a képlet empirikus alapokon nyugszik és a földrengéshullámok nem mind gömbhullámok, felszíni terjedés is van, és mindezek miatt az amplitúdó gyorsabban is csökkenhet, mint 1/R.

1990-ben három földrengés volt hazánkban: március 8., Békés körzetében, 2,5 magnitúdó július 26., Kaposszerdahely körzetében, 1,9 magnitúdó augusztus 22., Győr körzetében, 2,9 magnitúdó.

Az összefüggések a mellékelt grafikonokról (2. és 3.) leolvashatók, ám közülük csupán a márciusinál egyértelmű, sőt itt az is, hogy a beütésszám-növekedés valóban napokkal “előrejelzett".

Lényegében hasonló tapasztalatok voltak leszűrhetők a későbbi hazai földrengések során is. (1991-ben: két rengés, 1992-ben: egy rengés, 1993-ban: három rengés, és 1994-ben: három rengés).

Végezetül szeretném megemlítni, hogy mivel a GM-cső számítógéphez történt kapcsolása lehetővé tette: mértük (az “átlagos") felezési időket is, melyek átlagosan 35-40 percnek adódtak, földrengések közelében (leginkább utána) azonban volt, hogy ez az érték a duplájára is felszökött (például: 1990. augusztus 27-én, 4. ábra). Már az átlagos felezési idő értékek is arra utaltak, hogy a Rn222 “unokája" (Pb-214, T = 27 perc) mellett jelen kell lennie a toron (Rn-220) “unokájának" is (Pb-212, T= 11 óra!), arra a következtetésre jutottunk, hogy a kéregmozgás elősegíti az ugyan kisebb arányban előforduló, de könnyebb radonizotóp föláramlását. Így - legalábbis úgy tűnik - ezt az adatot is érdemes figyelni a földrengés (előre?) jelzéssel kapcsolatban.

Hiszen végkövetkeztetésünk - az eltérő módszerek ellenére - megegyezik: a közeli földrengések okozhatnak radonanomáliát, de nemcsak a földrengés és nem is mindig előtte, így még alapos vizsgálatokra van szükség ahhoz, hogy ebben a témában előrelépjünk.

4. ábra