книги из ГПНТБ / Горбушина, Л. В. Радиоактивные и стабильные изотопы в геологии и гидрогеологии

Л. В. ГОРБУШИНА, В. Г, ТЫМИНСКИЙ

РАДИОАКТИВНЫЕ И СТАБИЛЬНЫЕ ИЗОТОПЫ

ВГЕОЛОГИИ

ИГИДРОГЕОЛОГИИ

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1974

ВВЕДЕНИЕ

Втечение многих лет человек использует подземные воды артезианских бассейнов, поэтому запасы вод в них непрерыв­ но уменьшаются. Резко сократились запасы питьевой воды в Австралии, ФРГ и других странах. Вода в настоящее время становится одним из самых ценных полезных ископаемых.

Впоследнее время обнаружены крупные бассейны подзем­ ных вод в засушливых районах СССР (Средняя Азия) и в Северной Африке. Для правильной оценки ресурсов этих вод необходимо применять методы подземной гидравлики и глу­ бокий историко-геологический анализ. В эксплуатацию во­ влекаются не только современные воды, но и воды, накопив­ шиеся при иных, древних, возможно, более благоприятных для питания физико-географических условиях. Одной из за­ дач, которая должна быть решена при оценке ресурсов под­ земных вод, является определение их возраста. Это важно ■при решении следующих вопросов: 1) рационального исполь­ зования вод для водоснабжения и ирригации; 2) правильной

эксплуатации месторождений минеральных вод на курортах и месторождений рассолов, используемых в химической про­ мышленности; 3) оценки естественных тепловых ресурсов — термальных, горячих и перегретых вод; 4) оценки перспектив нефтегазоносное™, так как залежи нефти и газа окружены, как правило, древними водами и подток молодых вод свиде­ тельствует о разрушении залежей.

В. И. Вернадский говорил о необходимости составления радиогеологической карты, на которой будут отражены не только стратиграфические подразделения, но и дана точная абсолютная датировка возраста отложений. Как известно, систематические определения возраста пород были начаты в

СССР в 1931 г. Междуведомственной комиссией под предсе­ дательством В. И. Вернадского. В 1960 г. в СССР была ут­ верждена геохронологическая шкала в абсолютном летоис­ числении. С тех пор проблема определения возраста горных пород успешно разрешается.

При определении возраста подземных вод исследователи встречаются со значительно большими трудностями, чем при

3

к таким водам застойные воды. Под возрастом вод зон за­ трудненного и активного водообмена М. Н. Митин понимает промежуток времени между моментом проникновения воды в горные породы определенного комплекса и моментом наблю­ дения.

Понятие «возраст» вод несколько условное, так как воды представляют сложные динамические системы, сильно изме­ няющиеся в ходе геологической истории в процессе миграции в земной коре. По существу, понятие «возраст» можно пол­ ностью принять лишь для застойных пли весьма медленно двигающихся по порам пли трещинам подземных вод. Воз­ раст реликтовых вод равен возрасту вмещающих пород. Обычно возраст подземных вод меньше возраста вмещающих пород, что объясняется циркуляцией вод. Там, где .происхо­ дит интенсивный водообмен, возрастом воды можно считать время между моментом проникновения ее в пласт и момен­ том наблюдения. Кроме того, все природные подземные воды обычно представляют собой смеси вод различного происхож­ дения п возраста, и надо хорошо представлять состав смеши­

Г. Н. Каменского). Чем меньше этот коэффициент, тем боль­ ше относительная доля древних вод в бассейне *.

Пользуясь понятием «возраст» вод, нужно учитывать сле­ дующее.

1. При определении возраста флюидов (воды, газа) нель требовать той точности, которая предъявляется к методам определения абсолютного возраста минералов и .пород. По­ лезны (и допустимы) определения возраста вод в пределах геологических эр: например, современный, третичный или ме­ зозойский. Это значит, что во многих случаях можно лишь определить, исчисляется ли возраст тысячами, десятками ты­ сяч, миллионами или десятками миллионов лет.

1 Например, для верхней зоны (зона интенсивного водообмена) он чаще всего равен 0,01, т. е. водообмен совершается в 100 лет, а для глу­ боких зон (зона замедленного водообмена) он равен 0,000001, т. е. полный обмен совершается в 1 млн. лет.

6

представлением о существовании вод, отражающих не только современные, но и древние условия питания и формирования. Вопросы палеогндрогеологии и составление палеогидрогеологических карт стали важнейшими при решении ряда поиско­ вых задач, особенно нефти и газа. Такие карты составлены для западных частей СССР (Г. В. Богомолов), для Западной Сибири (Б. Ф. Маврицкпй), а также для многих нефтегазо­ носных районов (А. А. Карцев). Важное значение приобрета­ ют эти карты для анализа условий осадкообразования в гео­ логические периоды для выяснения обстановки, при которой происходило формирование месторождений полезных ископа­ емых.

В палеогндрогеологии в настоящее время применяют три основных метода [38]:

1) изучение древних растворов, пропитывающих горные породы, отжатых из пород под прессом при большом давле­ нии (А. Н. Бунеев, П. А. Крюков, В. В. Красинцева, Н. П. Затенацкая и др.). Поровые растворы глинистых пород или растворы, находящиеся в мелких капиллярных трещин­ ках компактных пород, представляют остатки вод различного происхождения (седнментациопные, инфильтрацнонные и др.). Изучение их химического состава и корреляционных признаков позволяет сделать вывод о их происхождении.

Кэтому методу можно отнести изучение газовых пузырьков

ирастворов, заключенных в минералах изверженных пород;

2)составление палеогидрогеологическнх карт, отражаю­ щих гндрогеохимнческую зональность, древние области пита­ ния и особенно древние очагн разгрузки (эти очаги в неко­ торых случаях представляют «гидрогенные» месторождения);

3)определение возраста подземных вод различными ме­ тодами, из которых можно выделить методы подземной гид­ равлики и радиометрические методы.

В радиометрических методах различаются собственно ра­ диометрические по соотношению между радиоэлементами, по уменьшению их количества во времени п по отношению ра­ диогенного гелия к аргону в газовой составляющей вод.

Расчет возраста вод методом подземной гидравлики. Ниже

приводим примеры расчета возраста подземных вод метода­ ми подземной гидравлики для двух известных артезианских бассейнов.

Северо-Украинский (Днепровский) артезианский бас­ сейн послужил основой для интересных расчетов Б. И. Куде­ лина (1960 г.).

8

гидравлическим расчетам получается, что по юрским пескам вода движется 26 000, по сеноманским пескам-— 21 000, по мергельно-меловой толще— 11 000, по бучагско-каневским слоям — 25 000 лет. Следовательно, жители многих городов Украины (Полтавы, Харькова и' др.) пьют не современную воду, а воду, образовавшуюся в один из этапов оледенений или межледниковых эпох.

Нубийский артезианский бассейн в Египте, по подсчетам

лия к аргону по формуле В. П. Савченко возраст этих вод получается более 100 000 лет.

2. Возможности использования естественно радиоактивных изотопов для расчета возраста вод

При взаимодействии воды с породой радиоактивные изо­ топы переходят из пород в воду; в других геохимических ус­ ловиях происходит выпадение изотопов из вод. Закономерно­ сти перехода радиоизотопов в системе порода 2 вода слож­ ны и определяются такими факторами, как химический состав и свойства вод, состав и физические свойства пород. Р1з-за невозможности точно учесть поведение радиоизотопов в системе порода 2 вода такие методы абсолютной геохро­ нологии, как радиевый, радиево-иониевый и другие, дающие хорошие результаты при определении возраста молодых по­ род, практически не применяются при определении возраста вод.

Удалось установить (В. В. Чердынцев, 1946 г.), что при длительном взаимодействии жидкой и твердой фаз устанавли­ вается некоторое равновесие между поступающими и выделя­ ющимися атомами долгоживущих изотопов. Обогащение во­ ды ими происходит по закону

где л0 — содержание радиоизотопов в воде в состоянии насы­ щения.

Очевидно, что повышенное содержание в воде короткоживущих изотопов радия (АсХ и ThX) по сравнению с самим радием 226Ra, а также с Ас и UXi указывает на малый воз­ раст воды, т. е. на непродолжительный срок ее подземной циркуляции.

В. В. Чердынцев сделал попытку определить возраст вод по соотношению в них радия и радона. Расчет был сделан в

9