Using the data of radon accumulation in a chamber with excess volume at one of the points of the Kamchatka subsurface gas-monitoring network, the change in radon flux density due to seismic waves and post-seismic relaxation of the medium is shown. A linear fractional equation is considered to be a model equation. The change of radon-transport intensity due to changes in the state of the geo-environment is described by a fractional Gerasimov–Caputo derivative of constant order. Presumably, the order of the fractional derivative is related to the radon-transport intensity in the geosphere. Using the Levenberg–Marquardt method, the optimal values of the model parameters were determined based on experimental data: air exchange coefficient and order of fractional derivative, which allowed the solving of the problems of radon flux density determination. Data in the temporal neighborhood of a strong earthquake with Mw=7.0, which occurred in the northern part of Avacha Bay on 17 August 2024, were used. As a result of the modeling, it is shown that the strong seismic impact and subsequent processes led to changes in the radon flux in the accumulation chamber. The obtained model curves agree well with the real data, and the obtained estimates of radon flux density agree with the theory.

Математические модели некоторых динамических процессов можно существенно уточнить, используя в них производные и интегралы нецелого порядка, учитывая эффекты, которые не описать с помощью обыкновенных производных. Так, например, с помощью дробных производных Герасимова-Капуто постоянного и переменного порядка можно учитывать эффект памяти в модели процесса, а порядок производной будет связан с интенсивностью процесса. В частности, авторами ранее разработана эредитарная α-модель объемной активности радона, где параметр α связан с проницаемостью среды. Однако возникает вопрос об определении оптимальных значений как α, так и других параметров модели. Для решения проблемы можно решать обратную задачу — распространенный тип задач во многих научных областях, где необходимо определить значения параметров модели на основе наблюдаемых данных, но невозможно провести прямые измерения этих параметров. Необходимость такого подхода часто возникает при работе с геологическими данными. В статье описывается программная реализация программного комплекса PRPHMM 1.0, способного восстанавливать оптимальные значения эредитарных математических моделей на основе производной Герасимова-Капуто. Адаптирован и реализован на языке MATLAB алгоритм безусловной оптимизации ньютоновского типа Левенберга-Марквардта. Реализованы подпрограммы для чтения, обработки и визуализации экспериментальных и модельных данных. Приводится тестовый пример, решающий на основе экспериментальных данных радонового мониторинга обратную задачу для эредитарной α-модели на параметры α и λ0-коэффициент воздухообмена. Показано, что PRPHMM 1.0 позволяет для эредитарных математических моделей на восстанавливать значения параметров, близкие к оптимальным.

The article presents data on the types of observations and information resources of the Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences (as of 2022), which can be used by scientific and educational organizations of the Russian Federation for studying precursors and developing methods for predicting earthquakes and volcanic eruptions, solving a wide range of research tasks in the field of geophysical monitoring of seismically active areas and others. Information resources and observation data are illustrated on the example of the Unified Information System of Seismological Data of the KB GS RAS and time series data of meteorological, hydrogeological observations and observations of volumetric radon activity in the soil gas at the Moroznaya station.

Радон — инертный радиоактивный газ, исследования вариаций которого в сопоставлении с сейсмичностью считаются перспективными для целей разработки методик прогноза землетрясений. На полуострове Камчатка развернута сеть пунктов наблюдения, в которых с помощью накопительных камер с газоразрядными счетчиками ведется мониторинг объемной активности радона (RVA). Анализ данных RVA в рамках радонового мониторинга является одним из методов поиска предвестников сейсмических событий. Это связано с тем, что изменения напряженно-деформированного состояния геосреды, через которую протекает газ, влияют на RVA. Изменение интенсивности переноса радона вследствие изменения напряженно-деформированного состояния геосреды описывается с помощью оператора дробного дифференцирования постоянного вещественного порядка α, который связан с проницаемостью геосреды. Известно, что на RVA в накопительной емкости с датчиками влияет также кратность воздухообмена λ0, эффект которого необходимо учитывать в изучение процесса переноса радона. Целью исследования является изучение накопления радона в камере, которое заключается в идентификации значений параметров λ0 и α с помощью решения соответствующей обратной задачи. В результате исследований было показано, что для эредитарной α-модели переноса радона методом Левенберга-Маквардта с привлечением экспериментальных данных RVA можно определить оптимальные значения ее параметров λ0 и α. Полученные модельные кривые хорошо согласуются с данными RVA, полученными в рамках хорошо известной классической модели переноса радона в накопительной камере.

Mathematical modeling is used to study the hereditary mechanism of the accumulation of radioactive radon gas in a chamber with gas-discharge counters at several observation points in Kamchatka. Continuous monitoring of variations in radon volumetric activity in order to identify anomalies in its values is one of the effective methods for studying the stress–strain state of the geo-environment with the possibility of building strong earthquake forecasts. The model equation of radon transfer, taking into account its accumulation in the chamber and the presence of the hereditary effect (heredity or memory), is a nonlinear differential Riccati equation with non-constant coefficients with a fractional derivative in the sense of Gerasimov–Caputo, for which local initial conditions are set (Cauchy problem). The proposed hereditary model of radon accumulation in the chamber is a generalization of the previously known model with an integer derivative (classical model). This fact indicates the preservation of the properties of the previously obtained solution according to the classical model, as well as the presence of new properties that are applied to the study of radon volumetric activity at observation points. The paper shows that due to the order of the fractional derivative, as well as the quadratic nonlinearity in the model equation, the results of numerical simulation give a better approximation of the experimental data of radon monitoring than by classical models. This indicates that the hereditary model of radon transport is more flexible, which allows using it to describe various anomalous effects in the values of radon volume activity.

На полуострове Камчатка в 2019 г. были возобновлены наблюдения за наклонами земной поверхности. Целью наблюдений является получение дополнительной информации о медленных движениях земной поверхности, обусловленных различными геодинамическими явлениями. В первую очередь, это относится к изучению связи деформации с региональной сейсмичностью, а также с подготовкой и динамикой вулканических извержений. Помимо изучения медленных движений, сеть наклономерных станций может использоваться для исследования земных приливов. Перечисленные выше задачи могут быть решены лишь при наличии соответствующих средств сбора, обработки и хранения получаемой информации. Основной технической сложностью при создании аппаратурно-программного комплекса (АПК), являлась разнотипность имеющегося в наличии оборудования. В работе приводится описание программных и технических решений, использованных при реорганизации сети наклономерных наблюдений. В качестве примера работы комплекса приводятся результаты ретроспективного анализа данных, позволяющие предполагать наличие отклика в наклономерных данных на Земные приливы. Основное направление дальнейшего развития АПК — создание дополнительных программных модулей обработки, которые могут быть выборочно использованы в зависимости от поставленной задачи. Кроме того, ведется работа по предоставлению пользовательского доступа в исследовательских целях к накопленному архиву данных.

The gradient of potential in the atmospheric electric field was recorded in the town of Severo-Kurilsk in order to study the formation of 3D electric charges in eruption clouds due to explosions during the 2018–2020 eruptions of Ebeko Volcano. A total of 179 cases were recorded in which the eruption cloud was propagating under cloudless conditions (or nearly so) accompanied by responses in the variations of electric potential in the atmosphere. Four characteristic types of response have been identified in the variations of atmospheric electric field potential. It is shown that the type of recorded response was controlled by the conditions of propagation for the eruption cloud relative to the recording site, as well as being influenced by mutual positions of the charges in the lower and upper regions of the eruption cloud at the time the response was recorded. The eruption cloud was dominated by a negative 3D electric charge localized in the upper region of the eruption cloud, while the positive 3D electric charge was localized in the lower region. The field observations are in agreement with the results of numerical simulation.

Непрерывный мониторинг вариаций объемной активности радона с целью поиска ее аномальных значений, предшествующих сейсмическим событиям, является одной из эффективных методик исследования напряженно-деформированного состояния геосреды. Предлагается задача Коши, описывающая перенос радона с учетом его накопления в камере и наличия эффекта памяти геосреды. Модельное уравнение представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение с непостоянными коэффициентами с производной в смысле Герасимова-Капуто дробного переменного порядка. В ходе математического моделирования, в среде MATLAB, переноса радона эредитарной α(t)-моделью получено хорошее соответствие с экспериментальными данными. Это указывает на то, что эредитарная α(t)-модель переноса радона является более гибкой, что позволяет с помощью нее описывать различные аномальные вариаций в значениях объемной активности радона в следствии напряженно-деформированного состояния геосреды. Показано, что порядок дробной производной может отвечать за интенсивность процесса переноса радона связанную с характеристиками геосреды. Показано, что за счет порядка дробной производной, а также квадратичной нелинейности в модельном уравнении результаты численного моделирования дают лучшую аппроксимацию экспериментальных данных радонового мониторинга, чем по классическим моделям.

Непрерывный мониторинг вариаций объемной активности радона с целью поиска ее аномальных значений, предшествующих сейсмическим событиям, является одной из эффективных методик исследования напряженно-деформированного состояния геосреды. Предлагается задача Коши, описывающая перенос радона с учетом его накопления в камере и наличия эффекта памяти геосреды. Модельное уравнение представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение с непостоянными коэффициентами с производной в смысле Герасимова-Капуто дробного переменного порядка. В ходе математического моделирования, в среде MATLAB, переноса радона эредитарной α(t)-моделью получено хорошее соответствие с экспериментальными данными. Это указывает на то, что эредитарная α(t)-модель переноса радона является более гибкой, что позволяет с помощью нее описывать различные аномальные вариаций в значениях объемной активности радона в следствии напряженно-деформированного состояния геосреды. Показано, что порядок дробной производной может отвечать за интенсивность процесса переноса радона связанную с характеристиками геосреды. Показано, что за счет порядка дробной производной, а также квадратичной нелинейности в модельном уравнении результаты численного моделирования дают лучшую аппроксимацию экспериментальных данных радонового мониторинга, чем по классическим моделям. Continuous monitoring of variations in the volumetric activity of radon in order to search for its anomalous values preceding seismic events is one of the effective techniques for studying the stress-strain state of the geosphere. We propose a Cauchy problem describing the radon transport taking into account its accumulation in the chamber and the presence of the memory effect of the geo-environment. The model equation is a nonlinear differential equation with non-constant coefficients with a derivative in the sense of Gerasimov-Kaputo of fractional variable order. In the course of mathematical modeling, in MATLAB environment, of radon transport by the ereditary α(t)-model a good agreement with experimental data was obtained. This indicates that the ereditary α(t)-model of radon transport is more flexible, which allows it to describe various anomalous variations in the values of volumetric activity of radon due to the stress-strain state of the geosphere. It is shown that the order of the fractional derivative can be responsible for the intensity of the radon transfer process associated with the characteristics of the geo-environment. It is shown that due to the order of the fractional derivative, as well as quadratic nonlinearity in the model equation, the results of numerical modeling give a better approximation of the experimental data of radon monitoring than by classical models.

На полуострове Камчатка в 2019 г. были возобновлены наблюдения за наклонами земной поверхности. Целью наблюдений является получение дополнительной информации о медленных движениях земной поверхности, обусловленных различными геодинамическими явлениями. В первую очередь, это относится к изучению связи деформации с региональной сейсмичностью, а также с подготовкой и динамикой вулканических извержений. Помимо изучения медленных движений, сеть наклономерных станций может использоваться для исследования земных приливов. Перечисленные выше задачи могут быть решены лишь при наличии соответствующих средств сбора, обработки и хранения получаемой информации. Основной технической сложностью при создании аппаратурно-программного комплекса (АПК), являлась разнотипность имеющегося в наличии оборудования. В работе приводится описание программных и технических решений, использованных при реорганизации сети наклономерных наблюдений. В качестве примера работы комплекса приводятся результаты ретроспективного анализа данных, позволяющие предполагать наличие отклика в наклономерных данных на Земные приливы. Основное направление дальнейшего развития АПК — создание дополнительных программных модулей обработки, которые могут быть выборочно использованы в зависимости от поставленной задачи. Кроме того, ведется работа по предоставлению пользовательского доступа в исследовательских целях к накопленному архиву данных. On the Kamchatka Peninsula, observations of the slopes of the earth’s surface were resumed in 2019. The purpose of the observations is to obtain additional information about the slow movements of the earth’s surface caused by various geodynamic phenomena. First of all, this relates to the study of the relationship between deformation and regional seismicity, as well as the preparation and dynamics of volcanic eruptions. In addition to studying slow movements, a network of tilt-metering stations can be used to study the Earth’s tides. The problems listed above can be solved only if there are appropriate means of collecting, processing and storing the information received. The main technical difficulty in creating a hardware-software complex (HSC) was the diversity of available equipment. The paper provides a description of the software and technical solutions used in the reorganization of the tiltmeter observation network. As an example of the operation of the complex, the results of a retrospective data analysis are presented, which suggest the presence of a response in tiltmeter data to Earth tides.The main direction of further development of the agro-industrial complex is the creation of additional software processing modules that can be selectively used depending on the task at hand. In addition, work is underway to provide user access for research purposes to the accumulated data archive.

На Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне работает сеть пунктов мониторинга подпочвенных газов. За время работы сети в поле подпочвенных газов были зарегистрированы аномалии, предваряющие сильные землетрясения с магнитудой М>5. По морфологическим признакам они разделены на два типа А и Б. В работе описывается разработанное программное обеспечение для моделирования возникновения радоновых аномалий на основании математической модели инжекции под воздействием импульсов напряжения изотопов в поток подземных вод с полным поперечным перемешиванием.

Variations in the natural thermal neutron flux are measured at the n -Kamchatka installation in Petropavlovsk-Kamchatsky during May 2019, using electron-neutron detectors designed at the Russian Academy of Sciences’ Institute for Nuclear Research. Because of its high level of seismic activity, the South Kamchatka subduction zone was chosen as the location of yet another installation belonging to the global network of this type of arrays under different geological and geophysical conditions. The aim of the n -Kamchatka installation is to study correlations between the dynamics of the natural thermal neutron flux and seismic activity. Results are presented from of the first 1.5 years of the installation’s operation.

На Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне работает сеть пунктов мониторинга подпочвенных газов. За время работы сети в поле подпочвенных газов были зарегистрированы аномалии, предваряющие сильные землетрясения с магнитудой М>5. По морфологическим признакам они разделены на два типа А и Б. В работе описывается разработанное программное обеспечение для моделирования возникновения радоновых аномалий на основании математической модели инжекции под воздействием импульсов напряжения изотопов в поток подземных вод с полным поперечным перемешиванием. Petropavlovsk-Kamchatsky geodynamic testing area has a network of subsoil gas monitoring stations. During the operation of the network, anomalies were registered in the field of subsoil gases, which precede strong earthquakes with a magnitude of M> 5. According to morphological features, they are divided into two types A and B. The paper describes the developed software for modeling the occurrence of radon anomalies based on a mathematical model of isotope injection under the influence of voltage pulses into a groundwater flow with complete transverse mixing.

The paper presents the results of tiltmeter observations on the Kamchatka Peninsula in 2012–2016. Of the six tiltmeter stations operating in this period, two were successful, located in the area of the Klyuchevskaya volcano group, where tiltmeters were installed taking into account the technical requirements. During the period under consideration, two significant geodynamic events occurred on the Kamchatka Peninsula: the Sea of Okhotsk earthquake with MW = 8.3 and a source depth of 630 km; the Tolbachik Fissure eruption, named after the 50th anniversary of the Institute of Volcanology (TFE-50). The simultaneous occurrence of an anomaly, which can be regarded as a precursor, in the behavior of the tilts at two points, as well as activation of a remote foreshock in Avacha Bay, indicate a single geodynamic process on a regional scale preceding the Sea of Okhotsk earthquake. At the point closest to the TFE-50 eruption (distance about 40 km), the N–S component shows a well-pronounced anomaly that began 5 months prior to the eruption, with a positive tilt of ~70 µrad. This indicates the complex geodynamic processes occurring before the TFE-50 eruption, caused by magma migration in layers with neutral buoyancy according to the geophysical model of the magma feeder system of the Klyuchevskaya volcano group. The obtained tilt data indicate that they can be a very significant supplement to the modern method of observing movements of the Earth’s surface using GPS technology.

В Институте ядерных исследований сейчас изучаются разные геофизические явления путем регистрации и последующего анализа природного потока тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны находятся в динамическом равновесии со средой, поэтому несут в себе информацию об изменениях в ней. При этом, важную роль в образовании тепловых нейтронов вблизи детекторов играет газ радон222, который является одним из промежуточных нуклидов уранового ряда и является одним из источников природных нейтронов, через (α, n)-реакции. Радон широко используется в геофизике для индикации геодинамики тектонических плит и в роли возможного предиктора сейсмической активности. Однако, несмотря на многолетнее измерение концентрации этого газа, предсказательная возможность не доказана. Причина этого может быть в том, что радонометры измеряют чаще всего концентрацию радона в воздухе, которая чувствительна к сквознякам, вентиляции, изменению влажности воздуха. Есть альтернативный метод изучения параметров среды, который лишен вышеперечисленных недостатков. Разработанные в Институте ядерных исследований открытые (не экранированные) сцинтилляционные электронно-нейтронные детекторы (эн-детекторы) (рис.1), чувствительны к природному потоку тепловых нейтронов.

На Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне (ПКГП) с 1998 г. функционирует сеть пунктов мониторинга объемной активности подпочвенного 222Rn (ОАР), а также молекулярного водорода (рис. 1). Как было показано в многочисленных работах [2, 4, 7, 9] радон достаточно чувствителен к изменениям напряженно-деформированного состояния геосреды. В странах, расположенных в сейсмоактивных районах мира (Израиль, Индия, Япония, США, Китай), активно ведутся работы по исследованию связи динамики радона в различных средах с сейсмичностью и, в частности, с процессами подготовки сильных землетрясений. Этому способствует простота измерений концентрации Rn, а также доступность и сравнительно невысокая стоимость технических средств. Применение радиогенного газа Rn обусловлено его химической инертностью и образованием непосредственно в горных породах, откуда он способен мигрировать к дневной поверхности.

Резюме RUS The paper presents the results of the volume activity monitoring of subsoil radon at the strainsensitive point of the Paratunka control station (PRTR) for 2000–2020. Emanation observations are carried out at this point in order to search for precursors of strong earthquakes in subsoil radon variations. The preparation of earthquakes at the northwestern framing of the Pacific Ocean with a source depth H < 200 km and Мw > 7.5, and of a lower magnitude in some cases, which have occurred at the distances up to 1000 km from PRTR, is reflected in the dynamics of radon volume activity (RVA) in the form of trends lasting from 8 months to 3 years. The behavior of RVA dynamics in the last 5 years points to a possible earthquake with Мw > 7.5 in the Pacific Ocean in the vicinity of the eastern coast of the Kamchatka Peninsula, which may occur before February 1, 2021. This conclusion is consistent with a long-term seismic forecast for the Kuril-Kamchatka seismogenic zone, made in the works of S.A. Fedotov and A.V. Solomatin [2017, 2019], according to which the highest probability of an earthquake with Мw ≥ 7.7 falls on the Avacha Bay and Southern Kamchatka.

The paper presents the results of integrated geophysical observations of the Ebeko Volcano’s activity in late 2018 and early 2019. The instrument complex for observation was located at the Severo-Kurilsk seismic station at a distance of 7.2 km far from the volcanic crater. Three types of response in the vertical component of the electric field of the atmosphere have been distinguished during the drift of eruptive clouds from the Ebeko Volcano’s explosions, which gives evidence for various mechanisms of their occurrence. The registration of infrasonic acoustic signals in the near zone made it possible to estimate the trinitrotoluene equivalent for the strongest explosions, which was calculated to be about 100 kg of trinitrotoluene. The authors have revealed certain regularities in the dynamics of the volumetric activity of radon, associated with variations in meteorological values and hydrological features of the registration point. A long period of its activity and the proximity of the observation point to the crater give reason to suggest Ebeko Volcano to be a natural laboratory for studying the mechanisms of eruptions.

This study analyzes the set of parameters of geophysical fields and geodynamic events before the very strong Sea of Okhotsk earthquake of May 24, 2013, with Mw = 8.3 and a focal depth of 630 km. In the time neighborhood of the earthquake (May 19–20), temporally synchronous geodynamic processes were observed in the areas of Kamchatka Peninsula that were separated by hundreds of kilometers. The simultaneous occurrence of anomalies in the behavior of tilts and in the dynamics of subsoil radon flow, conditioned by the deformation of remote foreshock activation in Avacha Bay, argues for a united earthquake-preceding geodynamic process of a regional scale. A possible reason for the observed synphase geodynamic phenomena is a “geodeformation wave” that emerged at the last stage of preparation prior to the Sea of Okhotsk earthquake.

В работе проанализирована совокупность параметров геофизических полей и геодинамических событий перед сильнейшим Охотоморским землетрясением 24 мая 2013 г. с магнитудой М W = 8,3 и глубиной очага 630 км. Во временной окрестности землетрясения (19-20 мая) наблюдалась временная синхронизация геодинамических процессов в районах п-ова Камчатка, разделённых сотнями километров. Одновременное возникновение аномалии в поведении наклонов в динамике потока подпочвенного радона, условных деформаций удалённой форшоковой активизации в Авачинском заливе говорит о едином геодинамическом процессе регионального масштаба, предшествующем землетрясению. Возможной причиной наблюдённых синфазных геодинамических явлений может быть “геодеформационная волна”, возникшая на последней стадии подготовки Охотоморского землетрясения.