Использование радиоуглерода для решения гидрогеологических задач

Радиоуглеродный метод в гидрогеологии используется главным образом для определения возраста подземных вод до 60 000 лет, а также других задач, аналогичных решаемым с помощью трития. При этом радиоуглерод дает возможность устанавливать, например, время восполнения запасов подземных вод в эпоху плейстоцена, которое не может быть определено с помощью трития в силу его малого периода полураспада. Впервые радиоуглерод для датирования подземных вод был использован К. Мюннихом в 1957 г.

Радиоуглерод входит в состав растворенных карбонатов подземных вод. Основной путь поступления его в эту систему лежит через взаимодействие почвенного углекислого газа, образующегося в зоне- аэрации главным образом в результате корневого дыхания растений и частично в результате микробиологической деятельности, с «мертвыми» почвенными карбонатами (термин мертвый характеризует карбонаты, не содержащие 14C). Непосредственно из воздуха поступление углекислого газа в карбонатную систему подземных вод крайне незначительно и этим процессом можно пренебречь. Эта реакция может быть записана в таком виде:

Как видно, образующийся гидрокарбонат кальция должен обладать активностью, равной 50%-ной активности углекислого газа почвы, который принимается равным 100% стандарта современного углерода. Возможны и другие реакции, в результате которых образуются растворимые гидрокарбонаты щелочных и щелочноземельных металлов: выщелачивание минералов силикатных пород, разложение карбонатов под действием почвенных органических кислот, образование гидрокарбонат-ионов в процессах сульфатредукции, метанового брожения и окисления органических веществ и т. п.

Опытным путем установлено, что концентрация радиоуглерода в водах областей питания, как правило, выше 50% и варьирует в пределах от 50 до 100% стандарта современного углерода. Этo явление объясняется двумя причинами: изотопным обменом биогенного углекислого газа с гидрокарбонат-ионами и присутствием радиоуглерода в почвенных карбонатах. Как правило, активность 14C в современных водах Центральной Европы и Африканского континента составляет 85±5% стандарта современного углерода и эту величину некоторые исследователи принимают за начальную концентрацию.

Принципиально возраст подземных вод с использованием радиоуглерода может быть определен по экспоненциальной формуле радиоактивного распада в рамках поршневой модели

где А0 — входная концентрация 14C; At — его концентрация ко времени Л1 — константа распада, равная ln2/Т1/2. Отсюда

Несколько обстоятельств затрудняют датирование подземных вод по радиоуглероду. Первым из них является изменение «входных» концентраций 14C, которые зависят от геологического строения зоны аэрации и климатических условий областей питания, вторым — возможное уменьшение величины A0 не только вследствие радиоактивного распада, но и в результате, например, поступления «мертвого» углерода в карбонатную систему подземных вод, третьим — изотопный обмен углерода в системе «раствор — водовмещающая порода». Так, опытным путем было показано, что в закарстованных известняках A0 составляет 55—65% стандарта современного углерода, а в магматических кристаллических породах содержание 14C достигает 100% стандарта, так как почвенные карбонаты в этом случае обусловлены процессами выветривания полевых шпатов. В настоящее время неопределенность параметра возросла в результате попадания термоядерного углерода-14 в зону активного водообмена. Это обстоятельство, как правило, может быть отмечено по высоким концентрациям трития в исследуемых водах. Снижение активности 14C в подземных водах, которое происходит в результате растворения дополнительных количеств карбонатов из водовмещающих пород, может быть до некоторой степени учтено двумя способами. Первый способ был предложен М. Тамерсом еще в 60-е годы и сводится к измерению концентрации компонентов карбонатной системы в области питания Co и в исследуемом водоносном горизонте Cпр. В этом случае корректирующий множитель можно определить как К=Спр/С0. Учитывая, что 14C связан лишь с половиной общего содержания гидрокарбонат-иона, М. Тамерс предлагает записывать поправочный множитель в виде

где Собщ — суммарная концентрация компонентов карбонатной системы; HCO3- — концентрация гидрокарбонат-иона, определяемая экспериментально.

Формула для вычисления возраста в этом случае принимает вид

М. Тамерс принимает величину А0 = ЮО% стандарта. Несмотря на то, что в ряде случаев М. Тамерс продемонстрировал хорошее согласие вычисленного по радиоуглероду возраста подземных вод с гидрогеологическими предпосылками, применимость метода вызывает ряд сомнений, так как в уравнение входит концентрация гидрокарбонат-иона, которая зависит от pH и ионной силы среды.

Второй способ коррекции радиоуглеродного возраста основан на исследовании изменения не только концентрации карбонатных компонентов подземных вод, но и изотопного состава стабильного углерода. Этот способ был предложен Э. Ингерсоном и Ф. Пирсоном, а в дальнейшем был развит в работах других авторов.

Метод основан на том, что содержание стабильного изотона углерода b13С в почвенном углекислом газе и карбонатах морского генезиса различно. В почвенной углекислоте b13С = -25%, в карбонатах морского генезиса b13С = 0% (стандарт PDB, относительно которого измеряется изотопный состав углерода также является карбонатом морского генезиса). В этом случае в образце доля карбонатов, связанных с почвенной углекислотой, может быть определена как b13С/—25, а фактор коррекции

В результате уравнение для вычисления возраста примет вид:

В дальнейшем были предложены более сложные уравнения для получения поправок при радиоуглеродном датировании подземных вод, учитывающие изменение концентраций компонентов карбонатной системы подземных вод, а также процессы изотопного обмена в системах «газ—раствор» и «раствор—твердая фаза». Сведения по этому вопросу можно найти в монографии В. И. Ферронского и др. в которой обобщены работы в этой области как зарубежных, так и советских исследователей.

В табл. 17 приведены данные У. Мука о возрасте воды, вычисленном по радиоуглероду с использованием формул Й. Фогеля (А0 = 85%, At — не корректируется), М. Тамерса (К = [Собщ]/{[Собщ—1/2 [HCO3]]}), Ф. Пирсона (К = -25b13Спр) и по уравнению, выведенному У. Муком с учетом процессов фракционирования изотопов углерода в системе «газ—раствор—твердая фаза».

Как видно из табл. 17, все методы вычисления возраста воды по радиоуглероду дают различные значения. Это объясняется сложными процессами формирования химического и изотопного состава карбонатной системы подземных вод, которые очень трудно оценить. Достоверность радиоуглеродного метода в ряде случаев удается повысить, если его сочетать с определениями трития и изотопного состава стабильных изотопов водорода и кислорода подземных вод.

В настоящее время не представляется возможным достаточно точно оценить возможное снижение концентраций радиоуглерода в результате изотопного обмена в системе «вода—порода». Лабораторные опыты дают противоречивые результаты. По теоретическим выводам и полевым исследованиям заметного изотопного обмена углерода в водоносных горизонтах, сложенных рыхлыми отложениями, не наблюдается.

Несмотря на то, что ряд вопросов и задач, касающихся достоверности датирования подземных вод по радиоуглероду, в настоящее время не решен окончательно, этот изотоп нашел широкое распространение при гидрогеологических исследованиях.

В 1976 г, при поисках подземных пресных вод в Сахаре естественные ресурсы подземных вод определены в объеме 6*10в13 м3. Эти воды достаточно равномерно распределены на площади в 4,5 млн. км2. По первоначальным исследованиям этих вод было установлено, что возраст их составляет от 10 до 40 тыс. лет, т. е. пополнение их запасов происходило в эпоху плейстоцена —раннего голоцена. Эти выводы были подтверждены и на основе измерения значений bD и b18O, которые в среднем оказались равными —80 и —10,5% соответственно. Такие значения bD и b18O характерны для современных климатических условий Центральной Европы. Данные, полученные на основе изучения пространственного распределения 14C, Т, D и 18O, свидетельствуют о возможности восполнения запасов подземных вод в размере 4*10в9 м3 в год за счет питания в горном районе Центральной Африки. На рис. 27 представлены данные о возрасте подземных вод различных районов Сахары по работам К. Зонтага и Р. Гонфиантини.

В ряде случаев разница в возрасте подземных вод At в двух точках водоносного пласта, расположенных на расстоянии l по направлению подземного потока, может быть использована для вычисления скорости движения подземных вод.

Лучшим методом исследования динамики подземных вод с использованием радиоуглерода является метод построения изоконцентраций 14C по площади водоносного пласта. Примером таких исследований может служить изучение динамики подземных вод альбского горизонта Парижского артезианского бассейна. Большое число радиоуглеродных определений позволило построить карту изолиний концентраций 14C на которой хорошо прослеживаются области питания и разгрузки подземных вод бассейна.

При изучении радиоуглеродным методом подземных вод бассейна Потомак—Раритан—Маготи (штат Нью-Джерси, США) была построена карта изоконцентраций 14C по площади бассейна. Однако, несмотря на хорошее отражение на карте общей гидродинамической обстановки бассейна, затруднительно дать возрастную оценку исследуемых вод и скоростей движения. Это объясняется тем, что в отложениях дельтового водоносного горизонта, к которому относились исследования, присутствует много органического вещества. В результате его биохимического разложения в воду поступает большое количество углекислоты легкого изотопного состава, что не позволяет воспользоваться основными предпосылками, лежащими в основе радиоуглеродного датирования подземных вод. Дело осложняется и тем, что значения b13С обычных минеральных разновидностей карбоната кальция в дельтовых и прибрежных морских отложениях колеблются в пределах от 0 до —20%. Подобные затруднения следует ожидать во всех водоносных пластах дельтового и прибрежного морского происхождения, если данные по распределению 14C и 13C не дополняются детальными исследованиями минерального состава водовмещающих пород, гидродинамики и гидрохимии.

Проблема учета влияния на изотопный состав карбонатной системы подземных вод углекислого газа, образующегося в водоносном пласте в результате биохимического разложения органических веществ в настоящее время представляет главную трудность, при интерпретации радиоуглеродных данных.