Geofisica Colombiana N°.7 pp 49-54 diciembre de 2003 Bogota, D.C. ISSN - 0121 - 2974 Casos hlstorlcos colombianos del registro de anomalias del radon-222 antes de eventos sismicos de naturaleza tectonlca DORIS YANETH SERNA VALENCIA, ESTELA CATALINA MORAN ROORiGUEZ, GUSTAVO GARZON VALENCIA Instituto de Investigaci6n e Informaci6n Geocientifica, Mineroambiental y Nuclear -Ingeominas- Observatorio Vulcanol6gico y Sismol6gico de Manizales MONICA LuciA HERNANDEZ SILVA Departamento de Quimica, Universidad de Narino RESUMEN Desde el afio de 1995 se han estado realizando medici ones continuas de las emisiones del isotope radiactivo Radon-222 en los suelos de los volcanes Galeras y nevado del Ruiz, y sobre fallas activas en los departamentos de Narifio, Cauca y Caldas. En el monitoreo del gas Radon-Zz? se ha utilizado el sistema de medicion de camaras ionizantes E-PERM, atrapando los gases en el horizonte B de los suelos. Se ha encontrado que en zonas de fallamiento activo las emisiones de este gas estan entre los 1000 Y2500 pCilL. En algu- nos cruces de fallas activas se han medido niveles hasta de 25000 pCi/L. En el presente trabajo se presenta una cornpilacion de ejemplos de las emisiones anornalas registradas en varias estaciones antes de sismos de caracter tectonico. Se muestran anomalias del Radon registradas antes de: I) eventos de magnitudes entre 2 y 4; 2) el terremoto del Quindio de enero de 1999, y 3) la ocurrencia de enjambres sismicos registrados por las redes sismologi- cas de los observatorios vulcanologicos y sismologicos de Pasto y Manizales. PALABRAS CLAVE: ISOTOPO, RADiACTIVIDAD, RAOON-222, SIS MO. TECTONICA ABSTRACT Since 1995 it had been making continuous measurements of the radioactive isotope Radon-222 emissions in soils at Galeras and nevado del Ruiz volcanoes; and on active geological faults in Narifio, Cauca and Caldas districts. The E-PERM ionizing chamber system has been used in the Radon-222 monitoring, trapping this gas in the B horizont of soils. In zones of active faulting it has been stablished Radon soil emissions between 1000 and 2500 pCi/L. In some crossings of active faults it has been measured levels of25000 pCilL. In the present work appears a compilation of examples of the registered anomalous emissions in several stations before earthquakes of tectonic character. Examples of registered Radon anomalies before: I) events of magnitudes between 2 and 4; 2) the Quindio earthquake of january 1999; and 3) the occurrence of seismic swarms registered by the seismological networks of the Volcanological and Seismological Observatories at Pasto and Manizales, are described. KEYWORDS: ISOTOPE. RADIOACTIVITY, RADON-222, EARTHQUAKE. TECTONICS INTRODUCCION Desde hace algunas decadas se han incorporado los estudios isoto- picos en el estudio de los trazos de falla y en la investigacion del estado de actividad tectonica de las mismas. EI isotope que mas se ha estado investigando con este fin es el Radon-222. Paralelamente se realizan mediciones de otras gases como el helio, hidrogeno, dioxido de carbona (Garzon, 1996), y otras isotopes como el toron (Rn-220), Radio-226 y Carbono-13 (Heiligmann et al., 1997). Las concentraciones de los gases emitidos desde el interior de la Tierra estan contralados par la litologia y la estructura de la zona de estudio (Williams-Jones et al., 2000). Pero sus emisiones pueden variar en el tiempo por influencias geodinamicas 0 meteo- rologicas. Las variables meteorol6gicas reportadas a nivel mundial como las que mayor influencia presentan sobre las emi- siones de los gases son: I) las lluvias; 2) los cambios de tempe- ratura del aire, y 3) los gradientes de la presion atmosfericaManuscr~o recibido para evaluaclon el 30 de octubre de 2002. Articulo aceptado para publicacion por el Cornte Editorial el 30 de agosto de 2003. GEOFislCA COLOMBIANA. 7. OICIEMBRE DE 2003 49 (Schumann et al., (992). De acuerdo con trabajos realizados con anterioridad (Gonzalez & Garzon, 200 I) se ha observado que en nuestro medio tropical las variaciones de la temperatura del aire no superan los 8°C en un afio; de la misma manera, las variaciones de la presion atmosferica en el mismo periodo no son mayores a los 5 mbar. Por el contrario, se ha observado que en periodos de incremento de las precipitaciones por lluvias, las emisiones de los gases pueden resultar afectadas negativamente, especialmente en aquellos ambientes donde preferencialmente los gases se trans- portan por mecanismo de difusion. EI Radon-Zz? esra en constante ernision desde el interior de la Tierra hacia la atmosfera. Hace varias decadas se ha estado plan- teando: I) la existencia de emisiones anornalas de este gas sobre las fallas activas; 2) las variaciones temporales relacionadas con los cam bios de las condiciones atmosfericas, Y 3) su posible mani- festaci6n premonitoria antes de un evento sismico (Ulornov & Mavashev, 1971; Williams-Jones et aI., 2000; Toutain & Baubron, 1999; Moran et al., 2001). Desde el afio de 1995 se han implementado algunas redes de estaciones isotopicas cerca del municipio de San Juan de Pasto, departamento de Narifio (figura I); cerca del municipio de Purace, en el departamento del Cauca, y cerca del municipio de Manizales, departamento de Caldas (figura 2). Figura I. Localizacion de algunas estaciones isot6picas de Rad6n-222, cerca del mu- nicipio de San Juan de Pasto, departamento de Narifio. (Imagen satelital tomada de: NASA, SIR-C). METODOLOGIA EI Radon-222 es uno de los tres isotopes naturales del gas noble radon. La naturaleza ionica de las particulas alfa que el Radon-222 produce en su desintegracion natural permite utilizar metodos ba- sados en cuantificar las huellas dejadas por el bombardeo de estas particulas sobre superficies sensibles. En los observatorios vulcanologicos y sisrnologicos del Instituto de Investigacion e Informacion Geocientifica, Mineroambiental y 50 SERNAETAL. Figura 2. Locahzaci6n de algunas estaciones isot6picas de Rad6n-222, cerca del mu- nicipio de Manizales, departamento de Caldas. Nuclear -Ingeominas- para medir el Radon-222 en zonas de falla- miento activo es utilizado el sistema E-PERM (Electret Passive J;,nvironmental Radon Monitor) propuesto por Kotrappa et al. (1988). Solamente en el Observatorio Vulcanologico y Sismologico de Pasto, en desarrollo de una estacion multiparametro se viene uti- Iizando el sistema PYLON para la medici on de los niveles del Ra- don-222 en fumarola (Faber et al., 2002). Figura 3. sistema de instalaci6n de una estacion isot6pica de Rad6n-222. Tornado de: Salazar (2002). Cuando se realizan estudios sisrnotectonicos son muy impor- tantes los criterios a seguir para la seleccion de los sitios de insta- lac ion de las estaciones isotopicas, tales como: I) geologia y estructura del area, 2) topografia y 3) facil acceso al sitio. Antes de instalar las estaciones isotopicas es aconsejable realizar un estudio de los perfiles del suelo, de tal manera que en la estacion, el tuba de GEOfislCA COLOMB lANA. 7, OICIEMBRE OE 2003 CASOS HIST6RICOS COLOMBIANOS DEL REGISTRO DE ANOMALlAS DEL RAooN-222 ANTES DE EVENTOS sisMICOS DE NATURALEZA TECT6NlCA PVC que servira de trampa para los gases, quede enterrado hasta el suelo natural (Salazar, 2002), tal como se muestra en la figura 3. Con el fin de acercarse mas al conocimiento de los mecanismos de transporte de los gases en los sue los proximos a la estacion de moni- toreo, es importante realizar medici ones del dioxido de carbono 0 helio 0 mercurio, paralelamente a las mediciones del gas radon. EI sistema E-PERM se compone de tres elementos principales: 1) un disco de teflon Du-pont cargado electrostaticamente, llamado electreto, el cual colecta iones en su superficie; 2) una camara fa- bricada con un material de polipropileno conductor de la electri- cidad, dentro de la cual un electreto puede ser descargado, Y 3) un medidor del potencial de superficie del electreto (Garzon, 1998). R,,222 FILTRO /\ Rn2 " I..-Tetrafluoroetilieno + c=== Figura 4. Procesos que tienen lugar dentro del sistema camara-electreto. Tornado de: Diago et al., 200 I. La configuracion 0 combinacion camara-electreto se utiliza para permitir la desintegracion del Radon-222 en su interior. En la figura 4 se muestra una combinacion de camara con electreto, donde se in- dican todos los posibles procesos que dentro de ella pueden ocurrir, tales como: 1) desintegracion radiactiva del Radon-222 y de sus des- cendientes; 2) adicion de los descendientes sobre aerosoles; 3) for- macion de descendientes con carga electrica; 4) electrificacion de superficies; 5) deposicion de descendientes sobre superficies (pla- te-out); 6) filtracion del radon a traves de membranas selectivas. La concentracion activa del Radon-222 se calcula de acuerdo con la siguiente expresion: [Rn] = [(Vi - Vf)/(FCxTA)] - DG don de, [Rn] es la concentracion del Radon-222, expresada en pCi/L; Vi es el potencial de superficie inicial del electreto, expresado en V; Vfes el potencial de superficie final del electreto, expresado en V; FC es un factor de conversion para ajustar el metodo a la norma NIST; T A es la duracion del analisis, expresado en dias y DO son las dosis de radiacion gamma ambiental, expresada en pCi/L. GEOFislcA COLOMB lANA. 7. OlclEMBRE DE 2003 RESULTADOS Y DISCUSION En el afio de 1995 se inicio la instalacion de estaciones isotopicas en los volcanes Galeras y nevado del Ruiz, y sobre algunos trazos de fallas activas. Algunas estaciones estuvieron en funcionamiento por algunos meses, mientras que otras contiruian funcionando en forma regular. En la actualidad, funciona una red de 22 estaciones cerca del municipio de Pasto, cuatro estaciones cerca del municipio de Purace, y seis estaciones entre el municipio de Manizales y el volcan nevado del Ruiz. Las anomalias mas destacadas de incremento de las emisiones del gas radon antes de eventos sismicos son: 1. Garzon (1996) reporto el incremento de las emisiones del gas Radon-Zz? durante un periodo de rnedicion de diez meses en la es- tacion Barranco de la red isotopica instalada por el OVSPasto. De acuerdo con la figura 5, el incremento de las ernisiones del Ra- don-222 fue de 350 pCi/L, 10 cual aparentemente precedio la ocu- rrencia de microsismos de magnitudes hasta de 2,1 en Ja escala de Richter y a una distancia menor a los 6,0 km de la localizacion de la estacion isotopica. 2. Se realizaron estudios comparativos entre las emisiones del Ra- don-222 y el nurnero de sismos volcano-tectonicos de magnitudes superiores a 1,5, registrados por la red sisrnologica del OVSPasto. En la misma estacion Barranco y para una ventana de tiempo de cinco afios, se obtuvo la figura 6, de acuerdo con la cual se ob- servan incrementos de las emisiones del radon durante y antes de la ocurrencia de los principales eventos volcano-tectonicos. 2.5 2.0 T 1400 ! {1200 "" I 1000I I i-·-~ 800 ~" \ I \ ]:I, " I)' ""~" t 400 f200 /"v\-"..." ;"" ~J.5 '".. '~ . 11.0 \ _MagnilUd -.~ Figura 5. Emisiones del isotope Rad6n-222 vs. Magnitud de microsismos. Estaci6n Barranco (agosto 1995-junio 1996). 3. Para una ventana de tiempo de un afio, Garzon & Serna (2001) reportaron una cornparacion entre las emisiones del Ra- don-222 en la estacion Sismo I de la red isotopica del OVSPa to y dos eventos sismicos de naturaleza tectonica de magnitudes 2,3 y 3,2, tal como se muestra en la figura 7. 51 6000 SERNAETAL. " .1500 - I, 16 3000,. 2,00 " '"'0 ~ 0 20(1)c, z <'; N Z ~ 1500 i '", 51}OO + 3001.1 -» 0 .~ .c ~ -o ~ c.c. o, -» o; ~;0 0 J. ~.j, J V - l " ~ = ~. " ~ c- ~ c, ~ ~ o- ~ ~ a, c. ~ ~ "! 1,q 0 0 ~ ~ 0 J ~ 1, 0 g ~ ~. 1 .; J~ ~' ;.=; - -r o. ;:t j;- -c - Figura 6. Emisiones de rad6n en la Estaci6n Barranco (1995 - 2000) Ynumero de sis- mos VT. Figura 7. Emisiones del rad6n en 1aEstaci6n Sismo I (enero-diciembre. 1998). 4. Previo a la ocurrencia del terremoto del Quindio (Mw = 6,2) del 25 de enero de 1999, se registraron anomalias de incremento de las emisiones del radon en la estacion OVSM de la red isotopica ins- talada por el Observatorio Vulcanologi~o y Sismologico de Mani- zales-Ingeominas. En la figura 8 se muestran las emisiones del Radon-222, y con una flecha se indica el dia que ocurrio el te- rremoto del Quindio. Hoy el comportamiento de las emisiones del Radon-222 en la estacion OVSM, como se muestra en la figura 9, ha regresado a sus niveles cercanos a los 500 pCi/L que se estuvieron registrando entre 1995 y mediados e 1998. 5. La estacion isotopica ubicada en los predios del Hotel Termales del Ruiz ha presentado anomalias en las emisiones del radon de! suelo, antes de la ocurrencia de enjambres sismicos VT, tal como se muestra en la figura 10. 52 '" -c cc r-: r-, co 00 C'.o- ~ c- o; c.' o; c.' ~~ f ~ ~ ~ ~E " ~ ~~ -6 -6 ~ -c -6 r-t N <'I -c r, -c N N N <', --~h I I I Figura 8. Incremento de las emisiones del rad6n en la Estaci6n OVSM (septiembre 1995-marzo 1999). '" co r-, 00 c- o C~ ~ c-; 0- 0- 0 [ ~ If ~ t 6- "" ~ ~ ~ '" ~ ~ -6 ~N <', Figura 9. Emisiones del rad6n en la Estaci6n OVSM (1995-2002). 6000 T I 4000 'I I ' ~ -, I • , " 2()Of~ . j • .;" ,. 20 18 16 14 12 ~ 10 V. ",~, , 6 ~.. _z Figura J O.Emisiones de rad6n vs. Enjambres sismicos. Estaci6n Hotel (1999-2000). .~ ··\~·f·:~ :. ~~••••.•• :".~,t\,~...~ GEOFislCA COLOMBIANA. 7. OICIEMBRE DE 2003 CASOS HISTORICOS COLOMBIANOS DEL REGISTRO DE ANOMALiAS DEL RADON-222 ANTES DE EVENTOS SiSMICOS DE NATURALEZA TECTONICA Desde hace varios afios se ha planteado la pregunta respecto a la efectividad del metodo de rnedicion de las anomalias del isotope radon, para su utilizacion como precursor de la actividad sismica. Sirnultanearnente, ha surgido la inquietud de si todos los sismos podrian ser pronosticados y si todas las estaciones isotopicas insta- ladas resultarian efectivas en el monitoreo de la actividad sismica. Al respecto, y con base en los monitoreos y en las investiga- ciones desarrolladas en los ultimos siete aiios, se ha llegado a con- cluir que hasta el momenta se tienen evidencias de la posibilidad de monitorear los eventos sismicos de caracter tectonico solamente en aquellas estaciones isotopicas que se localicen dentro de trazos de fallas activas. Los gases en general y el gas Radon-222 en particular prove- nientes del interior del subsuelo, pueden arribar a la superficie por accion de los gradientes de presion que se crean entre la presion en el subsuelo y la presion atmosferica, Algunas variables como las precipitaciones por lluvias han surgido como los mayores facto res meteorologicos en ambientes tropicales, que influyen sobre los ni- veles de desgasificacion desde el suelo y el subsuelo (Moran et al., 2001). Estos factores, junto con las caracteristicas estructurales y mineralogicas del suelo y del subsuelo desempefian un papel muy importante en la determinacion de los niveles base de las emisiones gaseosas en una estacion isotopica. Par otro lado, los incrementos de las emisiones gaseosas que su- peran 1 de desviacion estandar podrian ser el producto de pertur- baciones surgidas durante los procesos de formacion de un sismo, donde los esfuerzos creados alrededor de un futuro foco sismico produce un paulatino resquebrajamiento de las rocas. Investiga- ciones desarrolladas en lab oratorio (Goodman, 1963) han demos- trado que la destruccion de una roca es precedida por la formacion de numerosas y muy pequefias fisuras, las cuales van acornpafiadas de la emision de pulsos de variadas frecuencias. Los pulsos de fre- cuencias ultrasonicas podrian ser los perturbadores del equilibrio mineral-gas y, por tanto, catalizadores del incremento de las emi- siones del isotope Radon-222, antes del registro de eventos sis- micos de naturaleza tectonica. Los ejemplos arriba presentados de anomalias del radon previas a la ocurrencia de un evento sismico se resumen en un as pocas esta- ciones isotopicas. Generalmente, no en todas las estaciones insta- ladas se han observado anomalias premonitorias de un evento sismico. En varias estaciones isotopicas, en las cuales no se obser- vaban posibles respuestas premonitorias, se realizaron estudios de los perfiles de los suelos y se establecio que dichas estaciones habian sido mal instaladas. Esto significa que los tub os de PVC utilizados como trampas de gases no estaban enterrados hasta el suelo natural, sino que habian quedado en la capa organica. Los materiales de na- turaleza organica presentan altos contenidos de moleculas del ele- mento carbono, el cual es utilizado mundialmente como un material absorbente (retenedor) de gases. Esto significa que asi exista un factor perturbador del equilibrio parcial en la superficie de los GEOFislCA COLOMBIANA, 7, DICIEMBRE DE 2003 minerales del suelo y del subsuelo, los gases en general permane- ceran retenidos en la superficie de los materiales de la cap a or- ganica del suelo, desempefiando una func icn sellante. Para confirmar esta hipotesis, se han realizado estudios de la genesis de los gases, en particular del dioxide de carbona en las estaciones iso- topicas, Los resultados obtenidos de los anal isis de los contenidos del isotopo Carbono-13 en las rnoleculas del dioxide de carbono, para cad a una de las estaciones se muestra en la tabla I. Con base en los datos presentados en la tabla se construyo la figura 11. En esta figura se muestra que la proporcion de Carbo- no-13/Carbono-12 en las moleculas del CO2 producidas por las plantas terrestres son menores que en las moleculas del CO2 Tabla 1. Valor promedio de los contenidos de dioxide de carbona y Carbono-13 en las estaciones isotopicas de los observatorios vulcanologicos y sismologicos de Ingeominas. Aiio de i muestreo I C02 [% v/v) D13C(C02) I Sede de [%0) IIngeominas Estacion Isotopica Tabio 3,6 -14,6 POlli!xan 2001 I Barranco 3 6 -9 0 Pasto 1995 - 2001 i Sismol 49 -14,4 Pasto t1995-2001 Sismo 2 3,1 -123 r--Easto __ 122~ - 200lJ Sismo 5 5 2 ---=.11,0 Pasto T1995 ~ San Juan 1 1,0 r--~L Pasto_20QI __J Meneses 4 Il-- -134 Pasto 200~ OVSM 1 6 -13 6 Manizales I 1999 I I Florida 4 0 -13 5 Manizales' 2001 I rArgiiel!o Alto 04 -253 Pasto 2001 Anil2 20 -206 Pasto 2001 San Francisco 0 4 -=.25~..L±_pasto --t--_4QQ.L_- San Antonio 1 0,3 -27 6 EasjQ 2'p~ San Antonio 2 03 i -283 Pasto 2001 ISan Antonio 3 I 1,4 -23 3 Pasto 200 I _ ~jon 1 i 0 9 -211 PastQ_t- __ 2Q.QL_l:i'O 2 ~ 4 -21 9 ?"to 2001. Zanjon3 09 -184 Pasto ~~ IHuecada 1 0 2 -28 I Pasto ~~ I Huecada 3 0 8 -24,0 Pasto I 200 I ~ :~~~:;:3__~_:-~:~~+~~:~I ~::=j San Rafael 0 5 -225 POlli!Y~ 2001 i 'Bedon 02 -31,5 I POlli!y~1 2001 \ INueve i 0,5 -24Y Manizales I 2001 I ILa Play~1 -246 I Manizales I 2001 : 53 provenientes de los fosiles y los carbonatos no marinos; yestos ultirnos a su vez producen CO2 con menores contenidos de Car- bono-13, si los comparamos con el CO2 proveniente del manto. En la misma figura se destacan las estaciones que han pre- sentado anomalias de las emisiones del radon antes de eventos sis- motectonicos, como Barranco, Sismo 5, Sismo 1, OYSM. Estas estaciones, marcadas en la figura II con un cuadrado presentan re- laciones de Carbono-13/Carbono-12 en las moleculas de CO2 propias de ambientes profundos, 10 que indica que se encuentran ubicadas sobre trazos de fallas activas donde la alta permeabilidad facilita el transporte de los gases hacia la superficie a traves del mecanismo de adveccion, La mayoria de las estaciones de radon, las cuales se indican con circulos en la figura II, muestran firmas isotopicas que indican la procedencia somera de los gases alli atrapados, y por tanto su po- sible erronea instalacion en suelo adsorbentes de los gases. CONCLUSIONES De acuerdo con los monitoreos e investigaciones realizadas, se es- tablece que: 1. Las estaciones de Radon con firmas isotopicas de C-13 en dioxide de carbono mayores a los -16%0 contra el estandar PDB, son las que han presentado anomalias antes de la ocurrencia de eventos sismotectonicos. 2. La mayo ria de las estaciones de las redes isotopicas de losobser- vatorios de Ingeominas estan mal instaladas, y por esta razon se re- comienda iniciar con un proceso de evaluacion de los perfiles de los sue los donde se encuentran instaladas. 3. Cuando se desee instalar una estacion de radon con el fin de rea- lizar estudios de la actividad sismotectonica, se recomienda realizar un detail ado estudio de: 3.1 Los perfiles de los suelos 3.2 Los mecanismos de transporte de los gases 3.3 La genesis de los gases por medio de estud{os de Carbono-13. CO2 de fosiles 0 carbonatos no marinas 6,0 fSiSrTIOil (S1SffiOTl-----------t:=~~:h •.--:-.-=~_~::j_--__+5,0 IFlorida' CO, del Manto --------'I'f;;);W,."T""ab.,.io~-·,---~ IB--~I--+ 4,0 L.:..::.::.J. .1 arranco CO2 de plantas tcrrestres o u -----------""-.!!..."..,------__+ 3,0 ~ -----~--o___;I==I--c=1 ==""1---1 2,0OVSM. San Juan I --------:-<,----0-,,-=-.:....,.,----.-----+ 1,0 o~ 9Jg ?o: ~_~~~_,___;~~~~~~~~~~~~_I 0,0 0,035,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5"qCO,) [per mil] 5,0 Figura II. Dioxide de carbona vs. Delta 13 de carbona. 54 SERNAETAL. BIBLIOGRAFIA DIAGO, J., SALAZAR, S., GARZ6N, G. (2001). "Metodologia de monitoreo del Rad6n-222 en sismotect6nica". Revista Horizontes Naturales. Uni- versidad de Caldas, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Maniza- les,3:37-42. FABER, E., MoRAN, C., POGGENBURG, J., GARZ6N, G., TESCHNER, M. (2002). Gas Monitoring at the Galeras Volcano, Colombia. Submitted at Journal of Volcanology and Geothermal Research. 16 pp. (en prensa) GARZ6N, G. (1996). "Mediciones del Rn222 y CO2 en el suelo del volcan Galeras (Colombia) y ocurrencia de sismos locales". II Seminario Lati- noamericano: Volcanes, Sismos y Prevenci6n, Lima y Arequipa (Peru), 115-118. ___ . (1998). "EI radon, Manual teorico-practico", Ingeominas (infor- me interno), 55 pp. ___ & Serna, D. (200 I). 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