Процессы разделения изотопов водорода и кислорода в условиях подземной циркуляции воды

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Процессы разделения изотопов водорода и кислорода в условиях подземной циркуляции воды

28.07.2020

Как было уже показано, фазовые переходы воды играют главную роль в разделении изотопов природных вод па стадии их поверхностной циркуляции и частично в зоне активного водообмена. Для глубоких подземных вод большинство гидрогеологов в настоящее время отрицают возможность подземного испарения в региональном масштабе. Такие процессы прослеживаются на основании анализа изотопных данных лишь в ограниченном числе бассейнов термальных вод, хотя изменение содержаний D и 18O в подобных случаях можно объяснить и другими процессами, отличными от испарения. Например, по мнению Б. Арнасона, изучавшего термальные воды Исландии, полученный фактический материал дает основание считать, что при движении подземных вод на значительное расстояние от области питания до места разгрузки в условиях высоких температур содержание дейтерия в них не изменяется. На основании анализа опытных данных по различным геотермальным областям мира X. Крейг установил, что содержание дейтерия в водах гидротермальных систем соответствует его содержаниям в метеорных водах областей питания этих гидротерм. В противоположность этому опытными исследованиями повсеместно установлено, что в условиях повышенных пластовых температур вода обогащается тяжелым кислородом в результате изотопного обмена с кислородсодержащими водовмещающими породами (известняками, силикатами и др.). Увеличение содержания кислорода-18 в подземных водах по сравнению с метеорными водами в литературе получило название кислородного сдвига.

Пример изотопного кислородного сдвига иллюстрируется данными, полученными при исследовании термальных рассолов, выведенных скважинами в районе оз. Солтон-Си (Калифорния). Концентрация дейтерия с повышением температуры воды практически не изменяется и соответствует значениям bD для метеорных вод данного участка, в то время как концентрация кислорода-18 резко возрастает с увеличением температуры. На поверхности содержания обоих изотопов в озерах Мид и Солтон-Си изменяются параллельно в условиях некоторого обогащения тяжелыми изотопами в результате испарительного концентрирования. Из изложенного следует, что корреляционная связь значений bD и b18O для метеорных вод, описываемая уравнениями X. Крейга, для глубоких подземных вод нарушается вследствие процессов изотопного обмена кислорода в системе «порода—вода». Изменение концентраций кислорода-18 в породах и подземных водах можно показать па другом характерном примере для района Лардерелло (Италия). Известняки морского генезиса, обычно характеризующиеся значениями b18O = +30%, заметно обеднены этим изотопом. В то же время подземные воды, циркулирующие по этим породам, имеют значение S18O = -7,3%о в области питания и S18Q = -4,8— — 1,9%о в месте выхода на поверхность или в скважинах. Концентрация дейтерия при этом практически не изменяется. Основным процессом, формирующим изотопный состав подземных вод, как следует из приведенных примеров, является изотопный обмен в системе «порода —вода». Имеет место также изотопный обмен воды с газами H2S, H2, CH4, CO2 и жидкими углеводородами нефтяного ряда. Однако масштабы этих процессов значительно меньше, чем обменные процессы с водовмещающими породами, как это указывалось выше.

Изменения значений b18O и SD воды в результате реакций изотопного обмена с водовмещающими породами зависят от ряда факторов, главными из которых являются следующие: начальный изотопный состав воды bw и породы br, участвующих в реакциях изотопного обмена; отношение количества способных к обмену атомов кислорода или водорода, присутствующих в воде, к количеству атомов этого элемента в породе w/r; температура, определяющая коэффициент равновесного фракционирования изотопов между породой и водой. Наряду с равновесным коэффициентом фракционирования или константой реакции изотопного обмена, эффект фракционирования изотопов между двумя фазами (соединениями), например между породой и водой, можно приближенно выразить в виде разности значений A=br—bw=10в3 lna (где а — коэффициент фракционирования). Оказывает влияние также степень приближения системы «вода—порода» к состоянию изотопного равновесия, которое зависит от среднего времени пребывания воды в водоносном пласте.

Если предположить, что вода и порода находятся в состоянии изотопного равновесия при заданной температуре, то конечный изотопный состав воды bfw, можно выразить в виде соотношения:
Процессы разделения изотопов водорода и кислорода в условиях подземной циркуляции воды

Эта формула может быть использована не только для вычисления изотопного состава воды, находящейся в изотопном равновесии с породой, но и для расчета отношений w/r при известных других параметрах.

По этой формуле можно рассчитать, например, как изменится состав «нормальной» морской воды (bD = 0, b18O = 0) при контакте с кислородсодержащими (карбонаты, силикаты) породами или с породами, в состав которых входят минералы с гидроксидными группами (глина, серпентин, хлорит, биотит и т. д.),

Подобные расчеты для вод морского генезиса (bD = 0, b18O = 0) показывают, что при изотопном обмене кислорода и водорода при t = 200° С и K=0,1 (весовое отношение воды к породе) изотопный состав воды изменится и составит при обмене с кислыми силикатными породами b18O = +2-4%, bD = -2-4%; при обмене с глинистыми породами bD = -10—-20%, b18O=+5-+10%; при обмене с карбонатными породами bD = 0, b18O=+8-+12%.

В гидротермальных системах, сложенных карбонатными породами, как правило, наблюдается четкий кислородный сдвиг, а содержание дейтерия остается постоянным. При циркуляции подземных вод по эффузивным породам (кислые гидротермы) происходит некоторое увеличение содержания дейтерия в метеорных водах. Причина изменения изотопного состава водорода вод кислых гидротерм может быть объяснена как изотопным обменом в системе «гидроксидсодержащие минералы—вода», так и процессами гидратации первичных минералов магматогенных пород метеорными водами.

Фракционирование изотопов водорода и кислорода в результате фильтрации через водовмещающие породы, по всей вероятности, крайне незначительно. Так, Э. Дегенс установил, что при фильтрации подземных вод на расстояние 1100 км по выдержанному погружающемуся горизонту песчаников Нубийской серии в Северной Африке изотопный состав кислорода практически не изменятся. Содержание дейтерия при движении вод в хорошо промытых структурах также не изменяется, а в артезианских бассейнах с крайне замедленным водообменом содержание дейтерия, как правило, возрастает с глубиной. Это объясняется различной долей участия древних морских вод, сингенетичных с осадочной толщей седиментационного бассейна, при смешении их с инфильтрационными водами метеорного происхождения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: