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

предположении, что накопление радона и радия в водах идет по одному и тому же закону (1). Для большинства природ­ ных вод практически наблюдается насыщение короткоживу-

Очевидно, что этот метод определения возраста не может быть точным, так как различны условия выделения и потерь Rn и Ra и размеры зоны питания воды радием и радоном. Зоной питания воды радием может быть вся область цирку­ ляции подземных вод, а зоной питания вод радоном являет­ ся лишь последний участок ее циркуляции.

Однако, по В. В. Чердынцеву, этот способ дает правиль­ ный порядок величин возраста и представляет интерес для

10

данных по содержанию природного трития в водах для оцен­ ки водопритоков п возраста «молодых» вод.

Тритий 3Н образуется в атмосфере под действием косми­ ческого излучения и имеет период полураспада 12 лет. Ин­ тенсивность образования трития на Земле изучена, известно соотношение между изотопами водорода 3Н и ‘Н в атмосфере и в водах рек, озер и морей. Подсчитано, например, что да 1954 г. на Земле было 12 кг 3Н. Содержание трития в осад­ ках (дождь)— 25 атомов 3Н на 1018 атомов ЧТ, в водах Ат­ лантического океана— (3,1—0,8) атомов 3Н иа 1018 атомов 'ТЕ Определяя уменьшение количества трития, можно вычислить возраст воды. По тритию было определено, что глубинные во­ ды Атлантического океана имеют возраст около 25 лет.

В период с 1960 по 1965 гг. в связи с испытаниями ядерного оружия количество трития за Земле удвоилось и соотноше­ ние 3Н/'Н в атмосфере и поверхностных водах перестало быть постоянным. Однако и при отсутствии постоянства в со­ отношении 3Н/1Н по имеющемуся в воде тритию можно су­ дить о молодости вод (возраст до 50 лет).

Вопросу использования трития, искусственно введенного в

подземную воду, посвящено большое число работ по изуче­ нию динамики вод.

3. Гелий-аргоновый способ определения возраста подземных вод

Наиболее разработанным является гелий-аргоновый спо­ соб определения возраста вод.

Воснове гелиевого способа, предложенного В. П. Савченко

в1936 г., лежит положение, что газ п воды в недрах Земли представляют единую систему. Проникая в глубину, воды по­ степенно обогащаются гелием, образующимся при распаде радиоэлементов урано-радиевого и торцевого рядов. Такое обогащение пропорционально времени пребывания воды в по­ роде, в течение которого вода циркулирует в недрах. Таким образом, допускается, что весь гелий имеет радиогенное про­ исхождение.

Если известны содержание урана и тория в породе, по ко­ торой проходит вода, и доля выделения гелия из породы в воду (/еотд), то по соотношению между количеством гелия (растворенного или свободного) в воде и содержанием радио­ активных элементов в породах можно определить возраст га­ за (и воды) [71]:

12

дачи гелия из пород в воду; D — параметр, определяющий потерю гелия водой через подстилающие и покрывающие по­

диоактивного равновесия в ряду уран — радий. Коэффициент отдачи принимали первоначально равным 0,6, а коэффи­ циент D — 0,75.

Взяв породы средней радиоактивности, В. П. Савченко подсчитал, что скорость накопления гелия в 1 см3 среды рав­ на 3,4- 10~12 см3/год.

Усовершенствованием способа расчета возраста вод явля­ ется определение концентрации не одного газа— -гелия, как

щийся в воде, — атмосферного происхождения и что концен­ трация его (3,9- 10-4 см31см3) постоянна, В. П. Савченко рас­ считал формулу, по которой можно определить возраст вод /:

(Не и Аг — содержание гелия и аргона в растворенном газе). Взяв несколько иные, чем в формуле (7), значения кон­ центрации урана и тория в породах и считая, что в воду по­ ступает не 60, а 20% гелия, В. П. Савченко предложил не­

сколько иную формулу:

Аг

При определении возраста вод по содержанию гелия и аргона в свободно выделяющемся, а не в растворенном газе следует учитывать различие в коэффициентах растворимости (а) гелия и аргона в воде (ане =0,0091, а аг =0,0418). Отно­ шение их коэффициентов растворимости равно 0,218. Форму­ ла (7) при расчете возраста вод по свободно выделяющимся газам приобретает вид:

Возраст подземных вод некоторых районов, рассчитанный В. П. Савченко по формуле (8), приведен в табл. 2.

А. М. Овчинников использовал формулу (7) при опреде­ лении возраста вод источника Цхалтубо (100— 150 тыс. лет), терм Казахстана (около 1 млн. лет), сероводородных вод

13

Т а б л и ц а 2

Возраст подземных вод некоторых районов (по В. П. Савченко)

Мацесты (11—35 млн. лет). Б. Ф. Маврнцкий рассчитал та­ ким же образом .примерный возраст вод, заключенных в тол­ ще пород мезо—кайнозоя Западно-Сибирского артезианского бассейна и сделал вывод об интенсивности процессов водо­ обмена в условиях менявшейся палеогеографической обста­ новки [28]. Л. С. Балашов подсчитал возраст подземных вод разных горизонтов Сурхан-Дарышского артезианского бас­

Попробуем проанализировать значения различных вели­ чин в формуле (6).

В последние годы получено большое количество данных о содержании урана и тория в различных породах разных гео­ логических образований. Эти данные говорят о том, что со­ держание радиоактивных элементов очень непостоянно даже в однотипных породах и меняется от района к району. Оче­ видно, что при определении возраста вод не следует пользо­ ваться средними значениями для однотипных пород. Для каждого конкретного бассейна подземных вод рекомендуется брать фактические значения содержания урана и тория, ха­ рактерные для вмещающих подземную воду пород исследу­ емого района.

ченко до настоящего времени, хотя с тех пор получены новые сведения.

В 1956 г. М. Н. Митин рекомендовал определять к 0ТА ге­ лия по коэффициенту эманирования для радона (из-за труд­ ности прямого определения потери гелия). Предлагалось рас­ считывать /готд для гелия путем увеличения коэффициента эманирования по радону во столько раз, во сколько интенсив­ ность образования гелия больше интенсивности образования радона [31].

14

К настоящему времени имеются работы по изучению соот­ ношений коэффициента эманирования по радону и коэффи­ циента отдачи гелия. Полученные результаты нельзя исполь­ зовать непосредственно для определения возраста вод, но их следует учитывать. Они говорят об отсутствии параллелизма между эманированием и потерей гелия. Поэтому пользоваться коэффициентом эманирования при расчете потери гелия нельзя. Очевидно, следует исправить принятый в настоящее время /готд для определенных бассейнов, воспользовавшись имеющимися данными, пли получать новые данные по соот­ ношению коэффициентов эманирования по радону, торону, актинону и отдачи гелия.

Параметр D в рассмотренной формуле (6) был принят рав­ ным 0,75. Поправка на диффузию имеет большое геологиче­ ское значение, так как должна учитывать размеры и величи­ ну диффузионных потоков и в некоторой мере характеризует тектоническое строение и гидрогеологию изучаемого района. Указанный параметр зависит от условий залегания подзем­ ных вод, температуры и характера пород, поэтому принятый ориентировочно коэффициент D = 0,75 не внесет принципиаль­ ного улучшения в формулу определения возраста вод.

При выводе расчетных формул (7) и (8) предполагалось,

надо учитывать долю радиогенного аргона (40Аг), поступив­ шего в воду при распаде 40К. Например, исследования изотоп­ ного состава аргона в газах Амударьинского бассейна пока­ зали, что доля радиогенного аргона в наиболее застойных участках бассейна может достигать 30—50%, а в горизон­ тах, где развиты соленосные отложения, иногда превышает 70%. Таким образом, неучет доли радиогенного аргона в этих случаях приводит к резкому занижению гелий-аргоново- го отношения и соответственно возраста подземных вод.

Колебания радиоактивности водовмещающих отложений и процессы миграции газов и вод также искажают результаты расчета возраста вод как в сторону его завышения, так и за­ нижения.

В настоящее время при использовании формул (7) — (9) получают лишь ориентировочное значение возраста вод, ко­ торое можно сравнивать с возрастом вод бассейна, располо­ женного в других геологических условиях.

С учетом сказанного формула для расчета эффективного возраста вод примет вид [2, 38]:

15

ем и ураном в породах; р — плотность породы, г/см3; р — по­ ристость; 3,9- 10~4—содержание атмосферного аргона в 1 см3

следует учесть радиоактивность и другие параметры не толь­ ко водовмещающих, но и подстилающих пород.

Раздельные определения содержания урана, радия, тория и калия в породах в настоящее время целесообразно произ­ водить радиометрическим методом на спектрометрических ус­ тановках (по |3- или у-нзлучению). При очень низких (ниже кларка) концентрациях урана и тория точное определение этих элементов следует производить по продуктам их спон­ танного распада после облучения пробы потоком нейтронов (по методу И. Г. Берзиной [11]).

Контрольные определения на радий проводят радиохими­ ческим методом (по радону) с использованием чувствитель­ ных эманацнонных установок для измерений количества ра­ дона.

К настоящему времени гелий-аргоновым способом оценен эффективный возраст вод многих артезианских бассейнов. Некоторые данные этих определений приведены ниже, в описаниях отдельных бассейнов. Многократные определения концентрации гелия и аргона, проведенные в различных бас­ сейнах, показывают, как .правило, стабильность отношения ге­ лия к аргону в водах, следовательно, при расчетах возраста получаются устойчивые значения возраста вод.

Исключение из этого правила составляют артезианские бассейны, которые находятся в пределах очагов землетрясе­ ния. На примере Ташкентского артезианского бассейна будет показано, что в период, непосредственно предшествующий землетрясению, и во время землетрясения концентрация гелия и аргона в водах бассейна возрастала, изменилось отношение гелия к аргону.

Через два года после землетрясения отношение гелия к аргону вновь восстановилось до значений, характерных для вод этого бассейна. Подробно причины этого явления рас­ сматриваются ниже. Что же касается возможности использо-

16

Концентрация 1S0 в подземных водах менее устойчива и может иногда изменяться против концентраций, соответству­ ющих поверхностной стадии формирования этих вод, за счет изотопного обмена с водовмещающимн кислородсодержащи­ ми породами.

Многочисленные исследования позволяют сделать вывод о распределении D и 1S0 в поверхностных водах разных типов: подземные воды некоторых артезианских бассейнов СССР

обследованы на содержание D.

Большое развитие подобные работы получили за рубе­ жом: было показано, что наибольшая эффективность в реше­ нии гидрогеологических задач достигается при комплексном использовании нескольких изотопов, радиоактивных и стабильных. Учитывая большую перспективность этих работ, Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) и Всемирная метеорологическая организация (ВМО) начиная с 1961 г. проводят изучение в мировом масштабе содержания изотопов водорода и кислорода в осадках. За рубежом созда­ на сеть пунктов режимных наблюдений; в Советском Союзе также имеется пункт режимного наблюдения [60, 61, 75, 76].

Секция гидрологии МАГАТЭ выполняет работы по исполь­ зованию радиоактивных и стабильных изотопов в водах Тур­ ции, Кении, на о. Ямайка, в Венском бассейне, причем эти работы часто дают более эффективные результаты, чем обыч­ ные гидрохимические методы исследования [17, 53]. Напри­ мер, на Анатолийском плато трудно было определить взаимо­ связь многочисленных озер, родников и рек для выяснения условий их питания за счет подземных и поверхностных вод. В течение двух лет здесь велись наблюдения за изменением содержания природных изотопов. Происхождение этих вод удалось установить с использованием данных по D и 180.

Интересные опыты проводятся на о. Ямайка в Карибском море, где на сильно заболоченном юго-западном побережье исследуется режим дренирования грунтовых вод и изучается наиболее рациональная система мелиорации. По D и 180 предварительно установлены два направления стока грунто­ вых вод и определены источники их пополнения. Эти примеры можно было бы продолжить.

Определение содержания D и 180 в водах различных ти­ пов проводится во многих зарубежных организациях и в не­ скольких институтах Советского Союза. Первоначально, при­ мерно до 1968— 1969 гг., определения дейтерия производились частично фотонейтронным методом, обладавшим тогда еще малой для решения гидрогеологических задач чувствитель­ ностью. В настоящее время измерение содержания D и ,80 в природных водах проводится преимущественно с помощью масс-спектрометрии [19, 20]. Боттеру и Ниру удалось измерить

18

абсолютное содержание дейтерия в воде. Пока неизвестны способы точного определения абсолютного содержания 180 .

Так как экспериментально легче измерить относительную (или абсолютную) разницу в содержании D или IS0 в двух пробах, одна из которых принимается за стандарт, то резуль­ таты определений D и 180 выряжают в относительных едини­ цах стандарта. Это тем более оправдано, что наибольший ин­ терес представляют именно вариации изотопного состава, а

•не абсолютные содержания изотопов в водах.

Формула для расчета относительного отклонения содержа­ ния D в пробе от стандарта имеет вид:

где 6D— относительное отклонение содержания дейтерия в пробе от стандарта, в промилле (%о); Dnp , DCT — содержа­ ние дейтерия в пробе и стандарте.

Аналогична формула для расчета относительного отклоне­ ния содержания изотопа 180 в пробе от стандарта 6180:

водопроводов, вода из р. Днепр), поэтому результаты труд­ но сравнивать. В 1969— 1970 гг. в качестве стандарта был принят Международный стандарт среднеокеанической воды —

SMOW (Standard Mean Ocean Water). Абсолютные содержа­ ния D и |80 для этого стандарта равны соответственно

0,0158 и 0,19934 ат. % [76].

Если содержание D (или 180 ) в пробе (6 пр) дано относи­ тельно некоторого произвольного стандарта, который по со­ держанию исследуемого изотопа отклоняется от SMOW на величину 6 СТ (%„), то содержание D (или 180 ) в этой пробе, выраженное в единицах SMOW (68^ow), будет равно

6180, поэтому в дальнейшем результаты определений этих ве­ личин выражаются чаще всего относительно стандарта

SMOW.

Средняя погрешность определения б на масс-спектрометре равна: 6 D = ± 2 % 0, б18О = ± 0 ,2 % 0. Изотопный состав природ­ ных вод в целом (осадки, поверхностные и подземные воды)