WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
GASEOUS BREATH ГАЗОВОЕ ДЫХАНИЕ ЗЕМЛИ OF EARTH..

V. I. UTKIN ‡ ‡-‰‡„„ ‚ The problems connected with radioactive gases (helium, radon, argon-40), Земля как космическое тело представляется uranium fission products, состоящей из твердой оболочки, частью покрытой водами океанов, которая иногда разрывается вулthorium and potassium-40 канами, генерирующими громадное количество isotope generated by вулканических газов. Но Земля – генератор и друearth crust are examined.

гих газов, которые являются продуктами распада естественных радиоактивных элементов (урана, тоThe relation between funрия, калия) и несут важнейшую информацию о недdamental research of fault рах планеты, состоянии массивов в верхней части tectonics of Earth, its земной коры и геоэкологической обстановке.

thermal and global evolu- Уран и торий в процессе распада генерируют альфа-частицы, которые есть не что иное, как ядра tion and applied probэлемента гелия. Ежегодно во всех геосферах в реlems of geological enviзультате радиоактивного распада, по различным ronment ecology are оценкам, образуется от 2000 до 5000 т гелия. Практически весь гелий, имеющийся в атмосфере Земshown. Examples of ли, накопился в результате радиоактивного распада resolving concrete ecoурана и тория за 4,5 млрд лет существования Земли.

logical problems for every Среднее время жизни гелия в атмосфере нашей планеты до того, как он диссипирует в космическое radioactive gas are demпространство, составляет 107 лет. Поэтому количеonstrated.

ство его в атмосфере определяется балансом поступления из недр и диссипацией в космос. Промежуточным продуктом распада урана является ‡ ·, радиоактивный газ радон, который, в свою очередь, ‚fl‡ „‡ также генерирует в процессе распада ядра гелия ‡‰„(альфа-частицы).

„‡‚ („fl, ‡‰Большая доля в естественной радиоактивности принадлежит одному из изотопов калия (калий-40).

‡, ‡„‡-40), ‰Содержание этого изотопа в естественной смеси ‚ ‡‡‰‡ ‡‡, невелико (0,012%), однако вклад его в естественный fl ‡ ‡-40.

фон излучения может достигать 30%. Калий-40 генерирует в процессе распада атомы газа аргона, а ‡‡‡ ‚fl ‰‡именно его изотопа аргон-40, который составляет ‡ ‰‚‡основную часть аргона в атмосфере (0,93%).

‡Гелий, радон и аргон-40, являясь газами радио, генного происхождения, составляют важнейшую часть газового дыхания Земли, которое несет инфор ‚ мацию о процессах в верхней части земной коры, о „·‡ ‚геоэкологической обстановке в данном регионе. На ‡ важность изучения радиогенных газов указывал еще ‡‰ ‡‰‡‡ В.И. Вернадский, который и предложил красивый образ – “газовое дыхание Земли”. Однако интен„ „„ сивное развитие этого научного на-правления на‰. ‚‰ чалось с изучения потоков гелия из недр Земли в зо fl нах разломов [1]. В дальнейшем оказалось, что исследования радиогенных газов дают важную ин „ ‡формацию, которая дополняет наши знания в ге ‰fl ‡‰„ ‡логии, геофизике и экологии [2, 3]. Рассмотрим ‰„ „‡‚.

некоторые новые, нетрадиционные приложения.. ©.., газовых методов исследований по каждому из ра- сторождений. Поэтому выявлению и трассировадиогенных газов в отдельности. нию разломов земной коры традиционно уделяется большое внимание в современной геологии и геофизике.

Вся поверхность нашей планеты покрыта текто- Мощным средством исследования структуры ническими разломами, которые определяют блоко- земной коры, в том числе и выявления разломов, вое строение земной коры. Разломы могут быть не- являются сейсмические методы. Поэтому интереспроницаемыми (“залеченными”) и проницаемыми. но провести сопоставление данных сейсмических Последние, как правило, являются мощными кана- исследований и гелиевой съемки [1]. В качестве лами, по которым гелий мигрирует к поверхности примера на рис. 1 представлены эти данные, полуЗемли, чаще всего вместе с растворами, циркулиру- ченные по профилю, проходящему через Средний ющими в зоне разломов. Поэтому тектонические Урал в 45 км южнее Екатеринбурга от Ижевска черазрывные нарушения, особенно глубинные разло- рез Красноуфимск, Камышлов на Ишим. Данные мы, фиксируются повышенными концентрациями сейсмического зондирования показывают сложную гелия, растворенного в подземных водах. Это отно- структуру строения верхней части земной коры при сится и к разломам в верхней части земной коры, переходе от Предуралья через складчатый Урал в Задаже в тех случаях, когда разломы перекрыты мощ- уралье. Отчетливо отмечаются основные границы ным чехлом других отложений. Ввиду большой древнего фундамента, поверхность Мохоровичича, проникающей способности гелия гелиевая съемка а также фиксируются основные глубинные разлопозволяет выявлять скрытые, практически не про- мы. На указанном участке по данным сейсмических являющиеся на поверхности и соответственно не исследований определено 26 глубинных разломов, всегда выделяемые по данным геологии глубинные 22 из которых четко выделено по данным гелиевой разломы. Поскольку по разломам возможен наибо- съемки. Содержание гелия в подземных водах в лее интенсивный вынос глубинного вещества, дан- районе разломов колеблется от 0,01 до 0,04 об. %.

ные о проницаемости разломов могут быть очень Исключение составляет разлом, расположенный важны для прогноза новых зон и поясов рудных ме- восточнее д. Шатрово, где содержание гелия He, 10–3% 0,19% Красноуфимск Сысерть Камышлов Шатрово а б в г д е ж з | | 40 | | | | | | | | | H, км 1 2 3 Рис. 1. Результаты гелиевой съемки и сопоставление их с данными сейсмических методов: а – восточная часть Русской платформы; б – Предуральский прогиб; в – Западно-Уральская зона складчатости; г – ЦентральноУральское поднятие; д – Тагило-Магнитогорский прогиб; е – Восточно-Уральское поднятие; ж – Восточно-Уральский прогиб; з – Зауральское поднятие; 1 – график концентрации гелия в подземных водах, 2 – основные отражающие границы по данным сейсмических методов исследования, 3 – граница поверхности Мохоровичича, 4 – разрывные нарушения земной коры по данным сейсмических методов, ‹1, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | A составляет 0,19%. Это объясняется пересечением Г зон двух разломов: широтного и меридионального II - II 2 I - I направлений, что приводит к аномально высокому содержанию гелия в подземных водах. Вместе с тем некоторые разломы, выявленные по данным сейсБ мических работ, не находят отражения в данных геВ лиевой съемки. Это свидетельствует о малой проницаемости данных разломов. Соответственно в таких зонах отсутствует вынос вещества на поверхность, что связано, как правило, с предыдущей геологичеHe, ской историей разлома, когда вещества, выносимые 10–3 об.% Г циркулирующими по нему растворами, постепенно заполнили и зацементировали все трещины и каналы в зоне разлома.



Важным следствием обнаруженного эффекта I - I II - II является то, что гелиевая съемка, выделяя проницаA В Б емые зоны в верхней части земной коры, дает ценную информацию о возможности обратного процесса, а именно о возможности распространения Рис. 2. Результаты гелиевой съемки в районе отповерхностных вод в подземные водные бассейны. стойника токсичных промышленных вод: 1 – границы водоема, 2 – тектонические разломы, выдеОписанные результаты исследований по гелиеленные по данным геологических и геофизичесвой съемке были положены в основу работ по изучеких работ, 3 – результаты гелиевой съемки по заданным профилям нию возможности проникновения загрязненных вод по зонам тектонических разломов [3]. Очевидно, что токсичные воды промышленных отстойни- зоны данного разлома и возможности проникновеков могут проникать в подземные воды только через ния токсичных растворов в подземные воды. Данпроницаемые зоны разломов. Причем проникнове- ные анализа вод речки, вытекающей из отстойника, ние токсичных вод часто не может быть обнаружено показали, что максимальное заражение воды нанепосредственно вблизи этих водоемов, так как за- блюдается на расстоянии 5 км от плотины при повгрязненные воды через зоны разломов могут прони- торном пересечении руслом речки разлома II-II.

кать глубоко под землю и выноситься за много ки- Следовательно, загрязненные воды под действием лометров от источника загрязнения, попадая в реки гидростатического давления попали по зоне разлои водоемы, которые по своей гидрогеологической ма в подземный поток и двигались по зоне разлома структуре связаны с этой же проницаемой зоной.

вместе с ним до пересечения с руслом реки. На осТипичный пример описанной ситуации представ- новании сделанного заключения были проведены лен на рис. 2.

работы по гидроизоляции дна отстойника. Таким образом в арсенале экологических исследований Водоем-отстойник промышленных вод располопоявился новый метод, позволяющий давать эксжен на пересечении двух локальных тектонических пертную оценку геологическим условиям при пронарушений (разломов). При строительстве данного ектировании и строительстве искусственных водоотстойника не было произведено необходимых изыемов, отстойников промышленных вод и других скательских работ, поэтому указанные на рис. 2 разподобных сооружений.

ломы I-I и II-II были обнаружены по данным геологии и трассированы геофизическими методами уже после заполнения отстойника. Однако проведен-ные стандартные геологические и геофизические Не меньшее значение для целей геологии и геоработы не дали ответа на главный вопрос: проницаэкологии имеет и другой газ – аргон-40, продукт емы ли данные зоны разломов, какова вероятность распада радиоактивного изотопа калий-40. Измепроникновения токсичных вод под землю и попанение химического состава земной коры с глубиной дания их в водоносные горизонты вызывает и изменение соотношения концентраций Гелиевую съемку проводили по четырем профив глубинных водах гелия и аргона-40. Это дает возлям: А-А, Б-Б, В-В и Г-Г. Данные съемки показали, можность оценить тектоническую глубину разлочто разлом I-I практически непроницаем. Аномальмов, а также прогнозировать в некоторых случаях ных содержаний гелия при пересечении данного перспективность исследуемого района на полезные разлома (профили Б-Б и Г-Г) обнаружено не было.

ископаемые.

Два других профиля гелиевой съемки, проведенные ниже плотины водоема, показали повышенное (в Измерение концентрации аргона-40 в подземных 4–5 раз) содержание гелия в приповерхностных во- водах позволяет решить одну из важнейших экологидах, что свидетельствует о высокой проницаемости ческих проблем, а именно контроль целостности.. водозащитной толщи на рудниках, добывающих ка- гут достичь разрабатываемого пласта калийных солийную соль. Аргон-40 как продукт распада ка- лей, размыть его и затопить шахту. Поэтому важно лия-40 вследствие своего специфического проис- не только следить за смещением водозащитной толхождения является в данном случае идеальным щи при современных тектонических процессах, но индикатором [4]. и контролировать состояние этой водозащитной толщи, ее целостность. Для такого контроля, как В 1995 году в районе Соликамска произошло уже говорилось, оптимально изучение содержания тектоническое землетрясение средней силы (магаргона-40 в подземных водах, протекающих над занитуда около 5), которое вызвало подвижки верхлежами калийных солей.





них слоев земной коры. Условное геологическое строение данного района представлено на рис. 3, а. Отличие аргона от других газов, например водоКак правило, мощный (на глубине более 100 м) рода и метана, которые растворены в калийных сослой калийных солей, который обычно и разраба- лях и выделяются из них только при растворении тывается, перекрыт чередованием прослоев глины соли в воде, состоит в том, что аргон-40 как инерти тонких пластов тех же калийных солей. Выше ный газ не связывается молекулами соли, диффунверхнего слоя глинистых отложений обычно рас- дирует вверх к нижней поверхности водозащитной положен водоносный горизонт, приуроченный к толщи, где возникает избыточное (относительно песчанникам, и далее сверху все замыкается карбо- массива калийных солей) давление, если не нарунатными породами, которые условно назовем из- шена сплошность глинистых отложений.

вестняками.

Изучение концентрации аргона в подземных воОпасность состоит в том, что при разрушении дах имеет свои особенности. Дело в том, что в эти верхнего водозащитного слоя (глинистые отложе- воды всегда привносится с поверхности Земли атния) подземные воды достигают залежи калийных мосферный аргон, содержание которого в атмосфесолей, размывают их и, если последующие водоза- ре составляет 0,93 об. %. Однако атмосферный арщитные слои также нарушены, подземные воды мо- гон повсеместно имеет определенное соотношение аб C, % CHHAr 0,H2O 297,0,CH4 H2 40Ar 0,0,0,296,0,H, м 295,295,Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль 1 2 3 4 5 Рис. 3. Результаты исследования целостности водозащитной толщи месторождения калийных солей: а – усредненный геологический разрез месторождения: 1 – известняки, 2 – песчанник, 3 – глинистые отложения, 4 – залежи калийных солей, 5 – разрыв водонепроницаемого пласта, 6 – наблюдательная скважина;б – данные газовой съемки, ‹1, концентрации изотопов аргон-40 и аргон-36, кото- тель) представляет собой опасность для людей, осорое для нашей геологической эпохи равно 295,6. В бенно проживающих на нижних (первом и втором) процессе радиоактивного распада калия-40 генери- этажах. Радон проникает в помещения, как и гелий, руется только изотоп аргон-40, поэтому при нару- по проницаемым зонам земной коры. Кроме того, шении водозащитной толщи должен наблюдаться радон может генерироваться строительными матесдвиг изотопного соотношения, что и позволяет оп- риалами при достаточно больших содержаниях в ределить наличие радиогенного аргона в подземных них урана и тория. С другой стороны, радон из-за водах. Причем повышение концентрации аргона-40 специфических особенностей является оптимальна 0,003 об. % от его среднего содержания вызывает ным индикатором при различных геологических и изменение изотопного соотношения на одну еди- геотехнических исследованиях. Во-первых, радон, ницу (до 296,6), что четко фиксируется при масс- является радиогенным газом и как продукт распада спектрометрическом анализе газовой пробы. Ука- уран-радиевого ряда непрерывно генерируется в занная методика исследований была применена с горных породах в процессе радиоактивного распацелью исследования последствий тектонического да. Он всегда присутствует в любом горном массиве, землетрясения. Результаты измерений представле- и уменьшение его концентрации, например, за счет ны на рис. 3, б. диффузии из массива в воздух постоянно компенсируется новой генерацией радона. Во-вторых, Как видно из графиков на рис. 3, б, с января по диффузия радона в горном массиве и его выделение март в подземных водах наблюдалось постоянное, в с поверхности почвы определяются эффективным пределах погрешности измерений (± 0,1%), изотопкоэффициентом диффузии, который зависит от ное отношение аргон-40/аргон-36, типичное для многих факторов. Наиболее важными из них являатмосферного воздуха (295,6 ± 0,25). Содержание ются пористость, проницаемость и трещиноваметана и водорода не превышает погрешности изтость. Эти свойства среды существенно зависят от мерений (± 0,01%) за период с января по май.

напряженно-деформированного состояния массиОднако с апреля начинается изменение изотопва. Очевидно, что при сжатии массива проницаеного отношения, максимум которого достигается в мость его снижается, а при разгрузке увеличивается.

мае. При этом соответственно содержание аргона-Соответственно изменяется эффективный коэффиувеличивается на 0,58%. Постепенно величина изоциент диффузии. Следовательно, динамические изтопного отношения аргона возвращается к исходменения концентрации радона в приповерхностном ному состоянию (июнь). Начиная с мая в подземслое почвы будут отражать динамические изменения ных водах наблюдательной скважины появляются напряженно-деформированного состояния горнометан и водород, которые выделяются из калийных го массива в значительном объеме.

солей по мере их растворения. Концентрации метаРассмотрим последовательно оба данных аспекна и водорода в подземных водах увеличиваются та с точки зрения геоэкологии.

относительно первоначального уровня более чем в 60 раз и достигают величин больших, чем дополнительное увеличение концентрации радиогенного ‡‰ – ‡‰‡ ‡ аргона. Уменьшение концентраций метана и водороОбеспечение радоновой безопасности – одна из да во времени медленнее, чем наблюдаемое уменьважнейших проблем экологии, которая активно обшение концентрации аргона. Указанные измерения позволяют смоделировать процесс разрыва водоза- суждается в последние два десятилетия. Исследованиями последних лет надежно установлено, что бощитной толщи следующим образом.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.