ГЕОХИМИЯ, 2014, № 7, с. 646-653
ТРИТИЙ-ГЕЛИЙ-3 МЕТОД И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДАТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (НА ПРИМЕРЕ КИРОВСКОГО ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА, МУРМАНСКАЯ ОБЛАСТЬ)
© 2014 г. А. В. Гудков*, И. Л. Каменский*, Г. С. Мелихова**, В. И. Скиба*, И. В. Токарев***, И. Н. Толстихин****
*Геологический институт КНЦ РАН 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, 14 e-mail: Gantoris@rambler.ru **ОАО "Мурманская геологоразведочная экспедиция" 184209Апатиты, ул. Ферсмана, 24
e-mail: melihovags@mgre.ru ***Санкт-Петербургское отделение института Геоэкологии РАН 199178Санкт-Петербург, В.О., 14линия, 29 e-mail: tokarevigor@gmail.com ****Геологический институт КНЦ РАН 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, 14 Институт космических исследований РАН 117997Москва, Профсоюзная ул., 84/32 e-mail: igor.tolstikhin@gmail.com Поступила в редакцию 10.08.2012 г. Принята к печати 14.01.2013 г.
Измерением концентраций изотопов 3Н, 3Не, 4Не и 20№ в водах водозабора "Центральный" (южная часть Хибинского массива, Кольский полуостров) показано, что воды являются смесью молодых (более 90%) и древних (менее 10%) вод. Молодая вода содержит избыточные газы, обусловленные растворением пузырьков воздуха в ходе погружения воды в зоне аэрации. Возраст молодой воды, определенный 3Н—3Не(3Н) методом оказался равным 21 ± 1.5 г. Возраст древней воды, оцененный и—1Ъ—4Не методом, составляет около 50 тыс. лет. Вследствие взаимодействия вода-порода древняя вода содержит повышенные концентрации гелия и некоторых вредных для здоровья элементов, например алюминия, за счет растворения щелочных пород массива.
Ключевые слова: тритий, гелий, неон, изотоп, возраст, подземная вода, Хибины.
DOI: 10.7868/S0016752514050057
1. ВВЕДЕНИЕ
Датирование подземных вод; тритий-гелий-3 метод
Исследования условий питания и фильтрации подземных вод, механизмов массопереноса, а также смешения вод разного возраста и состава являются фундаментальными в геологии и гидрогеологии. Присутствие воды обуславливает возникновение такого специфического класса пород, как граниты, определяет концентрирование и рассеяние элементов, формирование многих типов месторождений. В то же время скорости процессов в системе вода-порода определяются недостаточно надежно. Из общих соображений понятно, что растворение эвапоритов должно происходить
быстро, окисление сульфидов — медленнее, а гидролиз силикатов — крайне медленно. Однако количественное описание кинетики этих явлений в земной коре пока недоступно, вследствие чего такие фундаментальные понятия, как зона активного и замедленного водообмена пока используются в гидрогеологии на качественном уровне. Проблема имеет важный прикладной аспект: подземные воды необходимы для жизнеобеспечения и хозяйственной деятельности человека. В связи с этим анализ современного состояния, ресурсов и качества подземных вод, а также их изменения в результате антропогенного воздействия и быстрых климатических изменений представляется особенно актуальным.
Традиционные методы изучения скорости фильтрации и массопереноса в подземной гидросфере трудоемки, дороги и во многих случаях не позволяют экстраполировать данные, полученные за короткий период на относительно малых территориях, на большие времена и гидрогеологические структуры в целом. Анализ современных исследований показывает, что новые подходы, в значительной степени свободные от названных недостатков, базируются на изотопных методах. Датирование подземных вод, как и горных пород и минералов, основано на использовании радиоактивных (радиогенных) изотопов. В гидрогеологии "возраст подземных вод" определяется как время, прошедшее от момента погружения выделенного объема воды (и, соответственно, прекращения обмена растворенными газами с атмосферой) до момента его прихода в точку опробования. Использование изотопов с разными константами распада позволяет датировать природные воды на временных шкалах от дней до миллиардов лет [1].
Идеальным трассером подземных вод, испытывающих техногенное воздействие (воды моложе 60 лет), является радиоактивный изотоп водорода — тритий (3Н), входящий в молекулу воды. В результате Р-распада 3Н (период полураспада х1/2 = 12.3 года) возникает легкий (наименее распространенный на Земле) изотоп 3Не. Таким образом, в воде присутствуют (и могут быть определены) и родительский 3Н и дочерний 3Не(3Н) изотопы; поэтому тритий—гелий-3 метод датирования (далее 3Н—3Не(3Н) метод), предложенный в работе [2], является наиболее надежным.
Впервые методика 3Н—3Не(3Н) датирования в России была применена в 1988—1992 гг., для исследования подземных вод Хибинского массива (Кольский полуостров, [3]). В 2011 — 2012 гг. методики отбора образцов природных вод, выделения из них гелия и неона, и масс-спектрометрического анализа были существенно модифицированы, что позволило вернуться к изучению уже опробованных объектов на новом экспериментальном уровне. Выполненное исследование позволило, во-первых внести коррективы в методику вычисления возраста, во-вторых, оценить устойчивость такого важного для решения практических задач показателя, как темп фильтрации в зоне активного водообмена на шкале около 25 лет, и в третьих, обнаружить интенсификацию разгрузки некондиционных по химическому качеству древних подземных вод.
Тритий в метеорных и подземных водах
До 1954 г. фон природного 3Н в метеорных осадках на уровне моря составлял около 1 ТЕ
(тритиевая единица — это 1 атом 3Н, отнесенный к 1018 атомам 1Н, или 0.118 Бк/л). Техногенный 3Н впервые появился в осадках в результате испытания ядерного оружия на атолле Бикини в марте 1954 г. (рис. 1а, [4, 5, 6]). Особенно большие количества 3Н были добавлены в атмосферу в результате взрывов на Новой Земле в 1961—1962. Испытания ядерного оружия в атмосфере были запрещены в 1963 г., но сравнение характерного всплеска концентрации трития в осадках (1962 г.) и его отражения в подземных водах еще длительное время использовалось для датирования. В качестве примера, на рис. 1б представлена зависимость между глубиной и концентрацией 3Н в подземных водах возле города Бохолт (Сев. Германия [7]). На глубине 10 м обнаружен пик содержаний 3Н (и 3Н + 3Не(3Н), соответствующий начальным содержаниям трития в подземных водах). Время, прошедшее между появлением максимальных концентраций трития в метеорных водах (1963 г., рис. 1а) и опробованием (1986 г. рис. 1б), составляет 23 года и является возрастом воды на этой глубине. Воды, потерявшие контакт с атмосферой позднее 1963 г., не могут быть датированы методом прослеживания пика.
В дальнейшем источниками 3Н в метеорных осадках стали ядерные технологии (атомные станции, заводы по переработке ядерного топлива и других радиоактивных материалов), а его концентрации снизились до ~10 ТЕ. В связи с коротким временем жизни 3Н в тропосфере (менее недели), его локальные концентрации не усредняются, и поэтому характерны значительные вариации его концентраций (рис. 1а). Резкие вариации 3Н и отсутствие внутреннего контроля правильности датировок затрудняют его использование для оценок возраста подземных вод, поскольку для определения "входной функции" требуется долговременный мониторинг 3Н в области питания [8]. В настоящее время вместо тритиевого метода следует использовать 3Н—3Не(3Н) трассер, не требующий знания "входной функции".
Гелий-неон-тритиевая систематика в метеорных и подземных водах: вычисление тритий-гелий-3 возраста
В связи с диссипацией гелия из атмосферы Земли, содержание гелия-3 в воздухе очень мало, [3Не] = 7.3 х 10-12 см3 см-3; кроме того гелий плохо растворим в воде. Поэтому в метеорных водах, например, при I = 5°С концентрация гелия-3 составляет всего [3Не] = 6.5 х 10-14 см3 г-1 Н20 (здесь и далее объемы газов приведены к нормальным условиям, то есть температуре I = 0°С и давлению 760 мм рт. ст.). Подземные воды содержат гелий разного происхождения:
6000 5000 ■ 4000 ; 3000 2000 1000 0
— Оттава Вена
— Берн (1980—2005)
— Тотон (1980—2000) и Нион (2000—2005)
1955
1965
10
- 20 а н и б
гч 30 Г
40
50
(б)
1975 Годы
4%.
. Пик от импульса 1963 г.
V
—Л"......................Ш.......
А
Л
д
1 Л
- д
Л Л
А ■
¿. Тритий, 3Н
□ Тритий +
+ тритигенный гелий-3
3Н + 3Не(3Н)
_I_I_I
50 100 150 Концентрация, ТЕ
200
М
н
10
1985
1995
2005
Рис. 1. Содержания трития в метеорных осадках Северного полушария (а) и подземной воде одного из горизонтов северной Германии (б).
0
0
а) растворенный в равновесии с атмосферой (здесь и далее атмосферные равновесные газы, индекс АТР);
б) избыточный атмосферный Не, попавший в воду при растворении погружающихся вместе с водой пузырьков воздуха (избыточные газы, индекс АТП); растворение обусловлено ростом давления;
в) Не, выделившийся из горных пород (терри-генный гелий, индекс ТЕР);
г) гелий-3, возникший при распаде трития, 3Не(3Н).
Для определения вклада избыточного НеАТП используют Не, так как 20№АТП = 20№ИЗМ— 20№АТР (индекс ИЗМ означает измеренное количество газа). Отношение (4Не/20№)АТП принимают равным атмосферному, откуда НеАТП = = 20№ИЗМ х (4Не/20№)АТП. Баланс изотопов 4Не и 3Не определяется как [9]:
4НеИЗМ = 4НеАТР + 4НеАТП + 4НеТЕр, (1)
и
3не(3н) = 3НеИЗМ — 3НеАТР — 3НеАТП — 3НеТЕР =
= 4НеИЗМ(ЯИЗМ ^ТЕР) 4НеАТР(ЯАТР ^ТЕР) (2) — 4Не/20Не)АТП(20НеИЗМ — 20НеАТр)(^АТП — Ятер),
где буквой Я обозначены отношения изотопов 3Не/4Не в соответствующих компонентах (индексы АТР, АТП и ТЕР).
Таким образом, содержания 3Не(3Н), накопленного в воде за время, прошедшее с момента потери ее контакта с атмосферой, находятся из уравнения (2) вычитанием вкладов атмогенного (3НеАТР и 3НеАТП) и терригенного (3НеТЕР) гелия-3 из измеренного количества 3НеИЗМ. Содержания 3Н в образце определяются прямым измерением. Из найденных величин 3Не(3Н) и 3Н, в соответствии с уравнением радиоактивного распада, определяется возраст подземной, озерной или морской воды:
Т = (1/^3)1п(1 + [3Не(3Н)]/[3Н]ИЗМ), (3) где = 5.62 х 10—2 г.—1, — константа распада трития.
2. ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Отбор и дегазация водных проб, выделение гелия и неона
Для реализации 3Н-3Не(3Н) метода был разработан и опробован пробоотборни
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.