ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2012, том 39, № 4, с. 419-424
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 556.3.027
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧЕТНЫХ ИЗОТОПОВ УРАНА В КАЧЕСТВЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ1 © 2012 г. А. И. Малов
Институт экологических проблем Севера УрО РАН 163061 Архангельск, наб. Северной Двины, 23 E-mail: malovai@yandex.ru Поступила в редакцию 13.10.2010 г.
Проведены оценки параметров процесса перехода в воду изотопов 234U и 238U в неравновесных соотношениях при распаде 238U в породе. На примере Северо-Двинской впадины показано, что информацию о фракционировании природных изотопов U можно использовать при оценках продолжительности контакта пресных инфильтрационных вод атмосферного происхождения с горными породами, а также наличия в породах участков с повышенными концентрациями U, с которыми связаны подземные воды с повышенной радиоактивностью.
Ключевые слова: изотопы урана, возраст подземных вод, алевролиты венда, Мезенская синеклиза.
В результате выполненных исследований уран-изотопного состава подземных вод Мезенской синеклизы установлено, что максимальное разделение четных изотопов и характерно для подземных вод водоносного комплекса песчаников и алевролитов падунской свиты венда [6]. Характерный район — территория Северо-Двин-ской впадины, где последний перекрыт с поверхности толщей глинистых отложений московской и валдайской морен, а также микулинского меж-ледниковья. В условиях затрудненного водообмена происходит перераспределение изотопов и между минеральной и водной фазами. В настоящее время соотношение активностей у = 234и/238и достигает в воде 20, составляя в среднем ~6 из 38 определений.
Возможное поступление поверхностных вод сверху как через толщу глин микулинского меж-ледниковья, так и с бортов впадины [2] к такому результату привести не могло, так как для поверхностных вод региона характерны значения у 1.2— 1.3 [4].
Высокие значения у характерны и для подземных вод в бортах впадины. Так, на Беломоро-Ку-лойском плато (БКП), (район месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова) по данным 42 определений среднее значение составило ~5 [6].
В данной работе рассматривается фракционирование природных изотопов и для оценки продолжительности контакта подземных вод с гор-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-05-00618а).
ными породами. Для этой цели выбраны соответствующие расчетные методы.
ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ
Процесс естественного фракционирования 234и и 238и можно объяснить с позиций физики радиационных воздействий [9]. При а-распаде атома 238и внутри ненарушенной минеральной части породы появляется нарушенная (разупоря-доченная) область, образованная атомом отдачи 234ТИ. Среди разупорядоченных может оказаться и сам атом отдачи, образовавший эту область. Вероятность этого событияр — 0 < р < 1.
Избыток 234и определяется путем измерений отношения активностей 234и и 238и (у)
-. = K 2N2
(1)
где N и N — количества атомов 238и и 234и соответственно, Х1 = 1.551 х 10-10 и Х2 = 2.835 х 10-6 лет-1 -константы распада этих изотопов.
В ненарушенной, закрытой для изотопного обмена области минеральной части пород наблюдается радиоактивное равновесие
Y =
^ 2N 2 пород
X1N
= Y п
= 1,
(2)
1пород
где ^¥1пород и ^^род — количества атомов 238и и 234и в породе соответственно, упород — отношение активностей 234и и 238и в породе; а для разупорядо-ченной области (р.о.) есть вероятностьр того, что
атом отдачи останется в ней, и отношение активностей у .будет
У р.о.
_ У 2 (N2пород + Р) _
= У п
+
У 2 Р
(3)
У N л N
пород
Таким образом, в области разупорядочения отношение активностей 234и/238и по сравнению с ненарушенной областью будет больше на величину (А,2 р) : ^1пород), которая и соответствует величине избытка а -активности 234и.
При переходе атомов и, находящихся в нарушенной области, в воду в ней нарушается радиоактивное равновесие.
Если в подземные воды поступал и с начальным отношением активностей изотопов 234и и 238и в воде (у0вод) с постоянной скоростью в течение определенного времени то справедливо выражение [8]:
У (вод - 1 1 -
-X 4
1 Л (4)
У Овод - 1 ^ 2(
где У/вод — наблюдаемое соотношение активностей изотопов 234и и 238и в воде на момент времени у0вод — это и отношение активностей 234и/238и (Ур.о.) в нарушенных при распаде 238и областях породы, откуда разупорядоченные атомы и с постоянной скоростью переходили в подземные воды. Следовательно,
Ур.о. У Овод (у (вод 1)
X 4
1 - е
-X 2(
+1.
(5)
Поэтому, задаваясь двумя—тремя произвольно выбранными значениями из (5) можно определить значения ур.о. Из (3) получаем несколько соответствующих им значений ^1пород/р
N1
1пород
того, здесь отсутствуют значимые сорбенты в во-довмещающих породах: песчаниках и алевролитах преимущественно кварцевого состава на железисто-глинистом цементе [3].
Зная количество атомов 238и, находящееся в воде, заключенной в единице объема горной породы Кед (принимаем здесь и далее для расчетов Кед = 1 см3) в настоящее время ^1ед воды, и активность 238и минеральной части пород в этом же
объеме А
1ед.пород
, можно приблизительно оценить,
сколько в среднем атомов ^1пород переходит в воду при одном распаде 238и
N
1пород
N1
N
± у 1ед. воды ^■1ед. пород ( пУедС
ед*" 1воды
(7)
(8)
—. (6)
Р (у р.о. У пород )
Помимо радиационных воздействий, переход изотопов и в воду осуществляется путем химического растворения и, содержащегося в ненарушенных радиоактивным распадом областях породы. Для учета этого процесса составим балансовое уравнение для атомов 238и, принимая, что в выражении (6) ^1пород — суммарное количество переходящих в воду и остающихся в ней на сегодняшний день атомов 238и, приходящееся на один распад 238и. Соответственно у . — это исходное соотношение активностей изотопов 234и и 238и, поступающих в воду и остающихся в ней на сегодняшний день; а р — вероятность перехода атома 234и в воду при распаде 238и.
Процессы осаждения и в пределах зоны пластового окисления водоносного комплекса па-дунской свиты венда проявлены слабо [6]. Кроме
' 1ед.воды
т1 атома
^1ед.пород (1 ^дР м ^1пород, (9)
где п — пористость; с1воды — концентрация и в воде; ^1атома — масса одного атома 238и, равная 3.952 х х 10-16 мкг; рм — плотность минеральной части породы.
Получив значения ^1пород/р из (6) и ^1пород из (7), определяем р. Для каждого из двух-трех произвольно выбранных / получаем соответствующие значения вероятности р перехода атома 234и в воду при распаде 238и; / ир связаны степенной зависимостью. Поэтому, определив р для двух-трех любых значений можно вывести уравнение типа / = ар-1, где а — коэффициент, и построить соответствующую диаграмму.
ОЦЕНКИ ВОЗРАСТА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Проведем ориентировочные оценки времени / взаимодействия подземных вод с водовмещаю-щими породами (возраст подземных вод), за которое в воде могли сформироваться наблюдаемые в настоящее время отношения активностей 234и/238и (У(Бод) при различных значенияхр, и выведем соответствующие уравнения / = ар-1.
Исходные значения для расчетов приняты на основании данных, приведенных в [4—6]. Помимо водоносного комплекса венда, выполнены расчеты для двух водоносных комплексов плейстоцена, возраст подземных вод в которых можно оценить также исходя из геохронологии водовме-щающих пород.
Плотность минеральной части породы — рм = = 2.65 г/см3; пористость — п = 0.26 (табл. 1).
По скважине в пос. Вайново исследован водоносный горизонт, расположенный в интервале глубин 12—22 м в песчаных флювиогляциальных отложениях, сформированных при таянии вал-
Таблица 1. Оценки времени контакта подземных вод с горными породами
С1воды, мкг/дм3 Y/вод Скород, МГ/КГ
t, тыс. лет прир=0.1%
t, тыс. лет при р=1%
Водоносный горизонт флювиогляциальных песков валдайского ледниковья (fQIIIvd) на территории Северо-Двинской впадины
По скважине в пос. Вайново — 1 определение: t = 0.9938р"103 0.082 I 4.13 I 1.22 I 10.7 | 1
Водоносный комплекс песков микулинского межледниковья (QlIImk) на территории Северо-Двинской впадины По скважине и источникам в районе урочища Куртяево — 7 определений: t = 8.45p-103 1.26 I 2.7 I 1.22 I 90.5 | 8.45
Водоносный комплекс алевролитов и песчаников падунской свиты венда (Vpd) на территории БКП
Среднее по всем 42 определениям: t = 6.0953p-1'03 1.17 I 4.46 I 3 I 65.3 I 6.095
Среднее для области с максимальными значениями y (водозабор) — 4 определения: t = 7.0124p-103 0.5 I 11 I 3 I 75.1 I 7.012
Среднее для области с минимальными значениями Y (скважины у трубки Кольцовская) - 4 определения:
t = 2.4332p-1'03
1.9 I 1.8 I 3 I 26.1 I 2 433
Водоносный комплекс алевролитов и песчаников падунской свиты венда (Vpd) на территории Северо-Двинской
впадины
Среднее по всем 38 определениям: t = 29.349p-103 3.26 I 6.17 I 3 I 314.5 I 29.349
Среднее для области повышенных активностей 238U > 0.015 Бк/дм3 - 12 определений: t = 79.743p-103 9.57 I 5.65 I 3 I 854.5 | 79.743
С0воды = 3, Y<^ =1.25, t = 9.6562p-103 6.57 I 7.66 I 20 I 103.5 I 8.912
Среднее для области пониженных активностей 238U < 0.015 Бк/дм3 - 26 определений t = 2.9648p-103 0.35 I 6.4 I 3 I 31.8 I 2.965
дайского ледника (t ~ 10000 лет) и перекрытых озерно-ледниковыми глинами и суглинками мощностью 12 м. Предположим, что в момент формирования водоносного горизонта вода в нем была ультрапресная с содержанием равновесных изотопов U на уровне ~0.05 мкг/дм3 [4]. В дальнейшем горизонт был практически изолирован в течение ~9000 лет, и вода не разбавлялась атмосферными осадками. Химический состав ее формировался в результате процессов гидролиза алюмосиликатов, катионного обмена и диффузии солей из подстилающей толщи морских глин микулинского возраста. В настоящее время подземные воды по составу гидрокарбонатно-хло-ридные, натриевые с минерализацией 3.7 г/л. Расчеты, приведенные в [3], показывают, что за счет диффузионных процессов минерализация воды могла повыситься на ~2.4 г/дм3. Остальные 1.3 г/дм3, соответствующие содержанию гидрокарбоната натрия, появились за счет гидролиза алюмосиликатов. Авторами статьи предполагается ведущая роль химического растворения нарушен
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.