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

Т а б л и ц а 29

Соотношение между содержанием радона и радия в подземных водах Ташкентского артезианского бассейна

В результате ташкентского землетрясения содержание ра­ дона, по данным В. И. Уломова, достигло 18 эман, т. е. воз­ росло в 3—4 раза. В водах призабойной части концентрация радона была несколько выше 18 эман. Увеличение содержа­ ния радона нельзя связывать только со значением /гэм, кото­ рое возрастает в результате нарушения сплошности пород; изучение влияния степени измельчения на эманирование по­ род, произведенное И. Е. Стариком и О. С. Меликовой, по­ казало, что раздробленные и нераздробленные образцы ха­ рактеризовались примерно одинаковым /г9М. Изучение влия­ ния измельчения пород на /гэм, произведенное А. П. Кириковым и другими, также показало, что k3M либо несколько уве­ личивается, либо практически не изменяется. В период земле­ трясения концентрация радона в воде понизилась до фоновых значений и в дальнейшем колебалась в диапазоне 4—8 эман. Изучалось также изменение концентрации другого инертного газа — гелия (см. табл. 26). В период землетрясения содер­ жание гелия в водах скважины 3 (поселок Луначарского) и скважины 8 (поселок Кибрай) повысилось в 12 раз по срав­ нению с 1963— 1965 гг. В других скважинах резких колеба­ ний не наблюдалось.

Анализ материалов, полученных в Ташкенте, свидетельст­ вует о том, что пределы изменения концентрации гелия и ра­ дона различны. Максимальная концентрация радона в водах в периоды землетрясений — около 20 эман при фоне 5 эман\ пределы колебания концентрации гелия очень велики (0,014— 0,27 об.%), но границы их менее четки. Если концентрация гелия возрастает в десятки раз при увеличении концентрации радона в несколько раз, то это происходит при условии во­ влечения в процесс дегазации большего объема пород. Для получения необходимой концентрации радона достаточно де­ газировать небольшой объем пород. Пользуясь известным по­

90

казателем—мощностью радиоактивного источника, — можно рассчитать

ход источника, л/ч. Следовательно, при содержании радия 6 •10-12 г/г в качестве «генератора» радона используется 10 кг породы. Еще больший объем пород необходим для из­ влечения и насыщения подземных вод гелием.

Определения изотопного состава урана в подземных водах Ташкентского артезианского бассейна, проведенные в период землетрясения 1966— 1972 гг., показали, что отношение 234U/238U непостоянно во времени и имеет более высокие зна­ чения, чем следовало бы ожидать для вод, приуроченных к породам осадочно-метаморфического комплекса.

Отношение 234U/238U в минеральных водах Ташкентского бассейна в ряде случаев имеет аномальное значение, его можно было бы сопоставить лишь с аналогичным отношени­ ем изотопов урана в водах гранитных массивов. Для вод из скважины 3 (поселок Луначарского) отношение изотопов ура­ на равно 7,0±0,3, а для вод из скважины 8 (поселок К,иб-

рай) — 6,2±0,2 (рис. 16).

Как уже указывалось, в водах этих же скважин зафикси­ ровано значительное увеличение концентраций гелия по срав­ нению с 1963— 1965 гг. Повторные определения изотопов ура­ на, проведенные в 1968— 1972 гг., показали, что отношение 234U/238U изменяется в пределах от 1,3 до 1,8, т. е. за истек­ ший период оно понизилось в 2—5 раз.

Изменяется и общее содержание урана в подземных во­ дах. Так, до землетрясения содержание урана находилось в пределах (1ч-5) •10_6 г/л, после землетрясения содержание его возросло до 1 •10~5 г/л.

Таким образом, незадолго до землетрясения и во время его в подземных минеральных водах Ташкентского артезиан­ ского бассейна образовалась зона положительной гидрогео­ химической, в том числе радиогидрохимической, аномалии, проявляющейся в изменении химического, газового и изотоп­ ного состава вод.

Возникает вопрос: каков механизм образования аномалии, какими процессами можно объяснить обогащение вод радио­ активными и радиогенными элементами (U, Rn, Не, Аг идр.) в период, предшествующий землетрясению, и во время него? Очевидно, что это явление весьма сложно, и механизм его до конца не изучен, но некоторые из процессов, по-видимому, можно назвать уже сейчас.

По мнению сейсмологов, очаг землетрясения представляет собой разрыв сплошности пород, возникающий в тот момент,

91

когда тектонические напряжения превосходят предел прочно­ сти среды. В соседстве с основным разрывом в породах обра­ зуется огромное число больших и малых трещин, каждая из которых при своем возникновении возбуждает упругие коле­ бания более высоких частот. При лабораторных исследова­ ниях процессов разрушения пород было отмечено, что нару­ шение сплошности образцов при их растяжении сопровожда-

ется возникновением упругих импульсов в форме затухающей синусоиды с максимумом спектра на частотах 10—30 кгц. При разрушении образцов под давлением также отмечено, что разрушению образца предшествует появление мелких трещин, образование которых сопровождается ультразвуковыми им­ пульсами. Аналогичные явления происходят и перед горными ударами, выбросами угля и газа в шахтах, когда за некото­ рое время до выброса повышается число акустических им­ пульсов (акустическая шумность) угольных пластов. Концен­ трация газов, в том числе и радона, в рудничном воздухе в это время сильно возрастает [26].

92

Полагают, что в очаге землетрясения возникает широкий спектр упругих колебаний — от долей герца до 10—30 кгц и, возможно, выше. В результате землетрясения выделяется ог­ ромное количество упругой энергии. Например, при землетря­ сении с магнитудой 4 сейсмическая энергия составляет при­

Результаты воздействия упругих напряжений на физиче­ ские и химические свойства горных пород, на их дегазацию, оказалось возможным изучить и непосредственно в лабора­ тории, применяя в качестве источников упругих колебаний генераторы ультразвуковых волн.

Экспериментальными исследованиями было показано, что под действием ультразвуковых колебаний удается извлекать из водных растворов почти 100% растворенного в них газа (показано на примере радона и торона). Известно, что обыч­ ные методы барботажа, используемые при эманационных из­ мерениях по торону и актинону, не извлекают весь газ из рас­ творов даже при оптимальных условиях скорости воздушной струн через раствор.

В табл. 30 приведены результаты эманационных измере­

увлекающая торой из раствора. Измерения скорости счета от торона, извлеченного воздушной струей из раствора, проводи­ лись без ультразвука, а затем при включенном небольшом по мощности источнике ультразвуковых колебаний, который на­ ходился в течение всего опыта в сосуще с исследуемым рас­ твором. При прозвучивании раствора скорость счета, а следо­ вательно, и количество извлеченного торона возрастает на 20—23%. Эти данные согласуются с данными Мактежона,

Т а б л и ц а 30

Результаты эманационных измерений раствора тория по торону

впроходящей струе воздуха без прозвучивания

ис прозвучиванием раствора

93

которому с помощью ультразвука удалось повысить извлече­ ние эманации из гидрогеля алюминия на 24%. Так как коли­ чество ThX, содержащегося в растворе, было .известно, толегко было показать, что при прозвучивании раствора воз­ душная струя извлекает из него 100% атомов образующего­ ся торона. Аналогичные результаты были получены при изме­ рении активности актинийсодержащего раствора, выделяюще­ го актинон.

Многочисленными опытами было показано, что под дейст­ вием ультразвуковых колебаний извлекаются газы из образ­

озвучивания и от частоты посылок упругих импульсов. При увеличении частоты посылок импульсов в 1,9 раз активность за счет выделившегося газа возрастает во столько же раз (при прочих равных условиях). На основании этого экспери-

1 Имелось несколько различных по конструкции источников ультра­ звуковых колебаний.

94

мента молено сделать вывод, что количество газа линейно за­ висит от числа пробегов упругих импульсов по объему образ­ ца. Однако линейная зависимость сохраняется до определен­ ного предела, после чего нарастание скорости счета стано­ вится непропорциональным времени облучения. Это явление объясняется, очевидно, тем, что при данной мощности ультра­ звукового источника и времени облучения наступает предел, при котором из образца нельзя извлечь большее количество «связанных» атомов газа. Например, для некоторых образцов это время с данным источником ультразвука составило всего 30 мин, для других 2 ч и более, а для некоторых добиться полного извлечения связанных эманаций не удалось. Причи­ на, приводящая к выделению газа из образцов горных пород под действием ультразвуковых колебаний, очевидно, заключа­ ется в переводе связанного газа в свободный. Под действием ультразвука адсорбционные силы, которые в нормальных ус­ ловиях удерживают атомы газа на стенках пор, микротрещин и других пустот внутри породы, нарушаются и газ переходит в свободное состояние.

Не исключено также, что некоторую роль в процессе вы­ деления газа из пород может играть известный эффект уско­ рения диффузионного процесса под действием упругих коле­ баний. В настоящее время установлено, что ультразвук уско­ ряет процесс диффузии в 40—50 раз.

Под действием упругих колебаний из горных пород выде­ ляются не только инертные газы, но также химические эле­ менты, входящие в состав горной породы, — уран, фтор, цинк, ртуть, медь' и др. Ультразвуковые колебания, проходя через образцы горных пород, поровое пространство которых запол­ нено водой, обогащают водную фазу различными микроэле­ ментами (уран, фтор, цинк и др.). Степень обогащения вод­ ной фазы тем или иным химическим элементом и даже опре­ деленным изотопом данного элемента, например 234U по срав­ нению с 238U, зависит от формы нахождения и характера рас­ пределения элемента в горной породе. Те химические элемен­ ты и их изотопы, которые наиболее слабо связаны с горной породой и кристаллической решеткой минералов, переходят в водную фазу в относительно больших количествах.

Если изотопы одного и того же химического элемента на­ ходятся в горной породе в различных энергетических состоя­ ниях, то упругие колебания могут вызвать искусственное раз­ деление этих изотопов, причем водная фаза будет обогащена тем изотопом, который слабее других связан с кристалличес­ кой решеткой минерала.

Для подтверждения вывода о возможности обогащения подземных вод изотопами радиоактивных элементов в резуль­ тате воздействия на водовмещающие породы упругих колеба­ ний >были поставлены эксперименты. Выяснилось влияние

95

ультразвуковых колебаний на процесс селективного выщела­ чивания в раствор продуктов распада урана из образцов гор­ ных пород. Чтобы ускорить эксперименты и достичь высокой точности результатов, в качестве объекта исследований вы­ брали кварцевый порфир с настураном с высоким содержа­ нием урана (3,73%). Кусок образца измельчали в ступке до крупности не более 0,05 мм. После тщательного перемешива­ ния в приготовленной пробе радиохимическим методом опре­ делялось содержание урана, радия, актиния.

Для выщелачивания брали две навески по 2 г. Выщелачи­ вание производили 1 М раствором HNO3 (50 мл) без ультра­ звукового воздействия в течение 40 мин и в ультразвуковом поле в течение 5, 10, 20 и 40 мин. Для озвучивания пробы на­ сыпали в стеклянный стакан с тонким дном и заливали 50 мл раствора 1 М H1NO3. Стакан с пробкой помещали в ультразву­

ченных выщелатах определяли отношения 234U/238U, 226Ra/238U и AcX/235U, выраженные в единицах активности, приведенной к 1 мл раствора. Активность изотопов радия 22GRa и АсХ в растворе определяли эманационным методом на приборе «Альфа-1 » по стандартной методике, активность 238U и от­ ношение 234U/238U анализировали альфа-спектральным мето­ дом.

В ультразвуковом поле выщелачпваемость продуктов рас­ пада урана из рудных образцов протекает интенсивнее, чем в естественных условиях (табл. 31). С увеличением времени

Т а б л и ц а 31

Изменение соотношений между ураном и продуктами его распада (2н|_1, Ra и АсХ) в жидкой фазе (выщелатах) в зависимости

от времени озвучивания пробы, ед. акт.

96

озвучивания пробы от 5 до 40 мин отношения 234U/238U, 226Ra/238U и AcX/235U в жидкой фазе возрастают соответствен­ но от 1,06 до 1,16 (примерно на 10%), от 1,23 до 1,50 (при­ мерно на 20%) и от 1,41 до 1,75 (примерно на 25%)- В выщелатах неозвученной пробы (время выщелачивания 40 мин) эти отношения равны 1,04, 1,20 и 1,40. Таким образом, с уве­ личением времени озвучивания пробы в процессе выщелачи­ вания жидкая фаза обогащается продуктами распада урана в большей мере, чем при выщелачивании без озвучивания за

40мин.

Короткоживущие изотопы (АсХ) переходят в раствор луч­

ше, чем долгоживущие (226Ra). Изотопный состав урана (234и/238и) в жидкой фазе изменяется незначительно (всего на 10%)- По-видимому, изотопный обмен выравнивает энер­ гетические состояния большинства атомов 238U и 234U в ми­ нералах, поэтому влияние ультразвука на их выщелачивании существенно не сказывается. В породах, где изотопный обмен для изотопов урана практически не протекает, можно ожи­ дать более эффективного разделения 284и/238и в ультразвуко­ вом поле с увеличением мощности озвучивания всего на 10%. Непостоянные значения отношения 284U/238U в подземных во­ дах, зафиксированные в период Ташкентского землетрясения, обусловлены, очевидно, избыточным поступлением изотопа 2340 из горных пород в воду, так как 234U и 238U находятся в кристаллической решетке минералов в различных энергети­ ческих состояниях. Атомы 238U входят в узлы решетки, а большинство атомов 234U из-за радиоактивной отдачи пере­ ходят в м.икронарушения и капилляры минерала, в результа­ те чего миграционная способность указанных изотопов раз­ лична. Поэтому при выщелачивании урана из горных пород подземные воды обогащаются в первую очередь изотопом 234U. Упругие колебания, возникающие в горных породах до и во время землетрясения, будут способствовать еще больше­ му обогащению водной фазы изотопом 234U, что и отмечено в Ташкентском бассейне.

Последующее понижение отношения 234U/23SU после земле­ трясения вызвано межфазовым изотопным обменом, в резуль­ тате которого устанавливается подвижное равновесное со­ стояние между ураном жидкой фазы и наиболее легко рас­ творимой частью урана твердой фазы. В результате этого об­ мена отношение 234U/238U в водах понижается до обычных значений, характерных для вод, находящихся в породах оса­ дочно-метаморфического комплекса (1,3— 1,8). Очевидно, что причина увеличения концентраций урана в подземных водах при землетрясении та же.

Доказательством того, что активизация тектонических про­ цессов во время землетрясения в Ташкенте вызывает изме­ нение названных выше геохимических составляющих подзем-

ных вод, а не просто смешение вод разного генезиса, являют­ ся данные по концентрации дейтерия в этих водах. Многими работами показано, что концентрация дейтерия в современ­ ных инфильтрацпоиных и седиментационных водах различна. Следовательно, если бы при землетрясении имело место только смешение вод, то концентрация дейтерия в пробах подземных вод, отобранных до и после землетрясения, была бы разной.

Определение концентрации дейтерия в подземных водах Ташкентского артезианского бассейна проводилось много­ кратно: задолго до землетрясения (1965 г.), после повторных толчков (в 1970 г.) и позднее — в 1972 г.

Концентрация дейтерия в пробах вод, отобранных из од­ ной и той же скважины в разное время, практически не из­ менялась. Очевидно, правильнее предположить, что активиза­ ция тектонических процессов приводит к изменению концен­ трации названных составляющих подземных вод.

Значительная активизация в последние годы тектонических явлений приводит к вовлечению в процессы дегазации новых объемов пород на глубине. Следует отметить, что корреляция изменения газового состава подземных вод н урана при по­ стоянстве концентрации дейтерия в подземных водах может быть объяснена тем, что в подземные воды поступают допол­ нительные порции глубинных флюидов, которые могут увлекать В1месте с собой некоторые микрокомпоненты, например уран.

Таким образом, можно полагать, что землетрясение, явля­ ющееся мощным акустическим излучателем, не только приво­ дит частицы среды в колебательное движение относительно положения равновесия, но и вызывает постоянное смещение их в направлении распространения упругих колебаний — по­ стоянный поток, который называется звуковым ветром. Зву­ ковой ветер активно воздействует на породу и может явиться тем физическим агентом, который способен обогатить на боль­

гнозирование землетрясения от 4 баллов и значительно выше с вероятностью 0,8—0,9 {51]. Эти выводы обосновываются ими на примере длительных исследований связи между концен­ трацией радона в воде и сейсмической активностью [27, 59]. Такая связь установлена не только в Ташкенте, но и в других сейсмоактивных районах [62]. По сообщению В. И. Уломова, воды в районе Джеты-Огуз содержали значительно большее количество радона при 8—9 баллах (июль 1970 г.) [59]. Ана­ логичное явление установлено для Северной Ферганы [27].

При оценке сейсмической активности региона можно полу­ чить существенную информацию, изучая такие соотношения радиогенных и радиоактивных газов, как 4He/Rn и 4Не/40Аг..

98

Колебания концентрации радона в водах будут отражать изменения физико-химических условий, а также тектонические процессы, протекающие в ограниченном объеме водовмещаю­ щих горных пород в данный момент. В этом смысле инфор­ мативность радона целесообразно считать ограниченной. Ге­ лий, напротив, являясь стабильным и легко подвижным эле­ ментом, способен за счет процессов диффузии и струйной ми­ грации проходить сколь угодно большие расстояния и обога­ щать подземные воды.

Таким образом, по величине отношения 4He/Rn в водах, нормированной по возрасту подземных вод, можно судить об избыточном поступлении гелия из глубинных толщ фундамен­ та и интенсивности протекания этого процесса. Учитывая, что ■интенсивность вертикальной миграции гелия из недр Земли находится в прямой зависимости от тектонической активности региона, представляется возможным по отношению 4He/Rn судить о современных геодннамических процессах изучаемого региона. 4Не/40Аг— показатель подземных вод — будет также изменяться под воздействием тектонической обстановки райо­ на. По вариациям 4Не/40Аг можно судить не только о процес­ сах глубинной дегазации пород, но и об источниках поступле­ ния этих газов в подземные воды, так как в этой величине заложена информация о содержании радиоактивных элемен­ тов. В частности, при наличии в изучаемом районе крупных региональных разломов по значению отношения 4Не/40Аг можно судить о глубине заложения разлома (гранитная, ба­ зальтовая или перидотитовая оболочка).

Таким образом, совместное изучение вариаций отношений 4He/Rn и 4Не/40Аг в подземных водах сейсмически активных районов позволит получить ценную информацию о физико-хи­ мических и тектонических процессах, протекающих на глубине.

Есть основания считать, что и при прогнозировании вулка­ нической деятельности может быть использован гелий-радоно- вый метод. По мнению Е. Г. Коновалова, началу деятельности вулканов всегда предшествуют мощные и длительные толчки земной коры, в спектре колебаний которых присутствуют са. мые разные частоты, в том числе и ультразвуковые. Поступ­ ление различных газов, в частности радиоактивных, в подзем­ ные воды (гидротермы) отмечалось в последнее время в связи с усилением деятельности вулканов Камчатки.

7*