Радон в подземных водах Ленинградской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Радон в подземных водах Ленинградской области

Александр Н. Павлов Россия, Санкт-Петербург Ноябрь o4,2004

Случаи повышенного содержания радона в подземных водах Ленинградской области известны с конца 30-х годов. Первые выходы таких вод были обнаружены в кембро-ордовикских отложениях в районе деревень Лопухинка и Воронино. Содержание радона в этих родниках достигало 36--342 эм/л.* Сегодня число водопунктов такого рода значительно возросло, они охватили не только территорию Ленинградской области, но и прилегающие к ней районы, а в геологическом отношении оказались связанными с весьма разнообразными комплексами горных пород (рис. 1). К настоящему времени по радоновым водам накоплен довольно обширный фактический материал, однако публикации по этому вопросу являются более чем скромными.

Рис. 1 - Схема расположения водопунктов с повышенным содержанием радона, 1--скважина, 2--родник, 3--глинт, 4--содержание радона в эманах на литр, 5--линия геологического разреза

Но уже в них предлагается разделение радоновых вод на две генетические группы [Дерпгольц, 1964]:

Воды, связанные с корой выветривания гранитов-рапакиви и Воды в песках и песчаниках кембо-ордовика.

Первая генетическая группа. На Карельском перешейке в основании разреза осадочных пород залегают верхнепротерозойские кристаллические породы фундамента, представленные в основном гранитами. Верхняя часть этих гранитов на глубину 10--15 м трещиновата.

На них в пределах Балтийского кристаллического щита лежит песчано-дресвяный горизонт мощностью 3-- 5 м, на остальной территории породы фундамента перекрыты отложениями гдовского горизонта вендского комплекса верхнего протерозоя, а в местах его отсутствия -- супесчаной мореной. Песчаные разности гдовского горизонта и четвертичных отложений, зона дезинтеграции и трещиноватая зона гранитов водонасыщены.

Вторая генетическая группа отражает наиболее вероятный источник поступления в эти воды радона. В приглинтовой полосе Ордовикского и Волховского плато на кембрийских глинах залегают пески и песчаники пиритаской свиты, тискрекского и пакеррортского горизонтов мощностью до 25 м, предсталляюшие собой регионально распространенный кембро-ордовикский водоносный горизонт. В кровле этого горизонта лежат диктионемовые сланцы и глинистые песчаники леэтского горизонта, образующие его водоупорную кровлю. Выше повсеместно залегают водоносные известняки нижнего ордовика. В названных работах формирование радоновых вод кембро-ордовикских отложений связывается с горизонтом диктионемовых сланцев, обладающих повышенной радиоактивностью. Несмотря на последнее обстоятельство, подобное утверждение является дискуссионным. Радон -- это газ, а газ, известно, всегда движется вверх. Поэтому выделяющийся из диктионемовых сланцев радон должен насыщать, главным образом, воды известняков нижнего ордовика, а не пески и песчаники кембро-ордовикского горизонта (рис. 2). Возможно, что источником эманирования являются сами кембро-ордовикские пески и песчаники и, в первую очередь, оболовые песчаники, содержащие фосфатные раковины, которые, как известно, являются хорошими сорбентами различных урановых соединений. Кроме того, в этих песчаниках цемент представлен в основном гидроокисями железа, при участии которых имеют место процессы адсорбации и соосаждения урана. Рассматривая геологию урановых месторождений капиталистических стран, В. С. Домарев [1956] показывает, что морские фосфоритоносные формации обычно относительно богаты ураном, причем возраст их, как правило, колеблется от палеозойского до кайнозойского. Фосфориты являются широко распространенными ураноносными образованиями и характеризуются невысоким, но довольно постоянным его содержанием, составляющим обычно тысячные или первые сотые доли процента. Анализы проб из различных районов распространения фосфоритоносной формации во Флориде [Домарев, 1956] показали содержание урана от 0,004 до 0,060%, при этом уран получают попутно при производстве фосфатных удобрений.

Повышенные содержания радона, наблюдаемые в водах кембро-ордовикских песчаников, могут быть связаны и с иным источником. Известно, что подстилающие эти песчаники кембрийские глины в верхней части своего разреза содержат значительные скопления пирита и марказита, окисление которых приводит к обогащению нижней части кембро-ордовикского водоносного горизонта сульфат-ионом.

Рис. 2 - Геологический разрез: 1--граниты, гнейсы, мигматиты кристаллического фундамента; 2-- кора выветривания пород кристаллического фундамента; 3-- песчаники с прослоями аргиллитоподобных глин гдовского горизонта; 4--ляминаритовые глины, алевролиты котлинского горизонта; 5-- синие глины лантовасского горизонта; 6-- пески и песчаники пакерортского и тискрекского горизонтов; 7--известняки и доломиты нижнего ордовика; 8--диктионе-мовый сланец; 9-- ледниковые и послеледниковые четвертичные отложения; 10--родники; 11--скважины

В пределах Ленинградской области в водах этого горизонта, вскрытых скважинами в районе от пос. Саблино до пос. Можайского, содержание сульфатов колеблется от 10 до 37 мг-экв/л при минерализации 167--450 мг/л. В пределах Эстонии [Дудко, 1964] в этих же водах содержится 18--21 мг-экв/л сульфат-иона при минералнзациях 194--481 мг/л. В. Ф. Дерпгольц [1964], обобщая материалы по минеральным водам Ленинградской области, пришел к выводу, что гипсовые воды приурочены преимущественно к верхам кембрия и к низмордовика и очень часто к оболовым песчаникам. Присутствие же в воде сульфат-иона может вызвать сокристаллизацию изотопов радия при образовании труднорастворимых сульфатов свинца, бария и стронция. К сожалению, содержание этих элементов в водах кембро-ордовикских отложений нам неизвестно, однако о них можно получить определенные представления, рассматривая косвенные материалы. Так, в Полюстрово с глубины 24--41 м (Дерпгольц, 1964г.) получены воды с содержанием стронция 0,01 мг/л, бария 0,006 мг/л и свинца 0,00001 мг/л, а средние их содержания в речных водах составляют стронция 0,0018 мг/л, бария 0,0017 мг/л, свинца 0,00008 мг/л [Катченков, 1959]. При растворимости сульфата бария, равной 0,0022 мг/л (при 180C), вполне можно предположить его выпадание из вод кембро-ордовикского горизонта.

Таким образом, в настоящее время можно сформулировать три гипотетических положения о возможных источниках радона в подземных водах Ленинградской области:

В подземные воды гдовского водоносного горизонта и в подземные воды четвертичных отложений, перекрывающих граниты кристаллического фундамента, а также в воды зон дезинтеграции и трещиноватости гранитов, радон поступает из коры выветривания гранитов при самопроизвольном распаде радия, находящегося в них в рассеянном состоянии при нормальных концентрациях (кларковых).

В подземные воды кембро-ордовикского водоносного горизонта радон поступает при распаде радия, либо:

находящегося вблизи своих материнских элементов, образующих заметное рудопроявление в оболовых песчаниках, либо

попадающего в пески и песчаники, в результате сокристаллизации при выпадении из раствора сульфата бария.

Существующий в настоящее время фактический материал позволяет рассмотреть каждую версию более подробно и оценить степень ее достоверности рядом ориентировочных расчетов.

Ещё И. Е. Стариком и Д. С. Николаевым (1940 г.) было установлено, что в природных условиях в образовании повышенных концентраций радона в водах основную роль играет содержание радия в породах, коэффициент эманирования пород и время соприкосновения активирующих пород с водой. При этом концентрация радона в подземной воде определяется формулой

(1)

где N -- концентрация радона в воде в единицах к/см3;

А -- содержание радия в породе в г/г породы;

б -- коэффициент эманирования породы в %;

з-- пористость породы;

d-- плотность породы в г/см3;

щ-- влагоемкость породы в %;

л-- константа распада радона;

й -- путь, проходимый водой, в м:

v -- скорость фильтрации воды в м/сутки.

С помощью данной формулы рассмотрим достоверность предложенных версий.

Вначале рассчитаем теоретические максимально-возможные содержания радона в подземных водах коры выветривания гранитов в пределах Карельского перешейка. Если источником радона в подземных водах гранитов является радий, содержание которого не превышает кларковых значений, то наиболее выгодными условиями накопления радона являются: практическое отсутствие водообмена и абсолютно высокий коэффициент эманирования. Кларк радия в гранитах равен 1,34- 10г12г/г [Баранов, 1955]. Пористость гранитов очень низкая и, как правило, не превышает 1%. В зоне трещиноватости величину пористости с учётом трещин можно принять равной 5--10%, а среднюю плотность -- 2,6 г/см3. Полагая скорость фильтрации v ~ 0, а коэффициент эманирования близким к 100%, получим концентрацию радона в воде 300-- 660 эм/л. Эти концентрации следует рассматривать как максимально возможные. На самом деле вода в гранитной коре выветривания движется, а коэффициент эманирования не равен 100%, в связи с чем, реальные концентрации радона в рассматриваемых подземных водах должны быть ниже вычисленных. С этих позиций анализ фактического материала радиоактивности подземных вод в гранитах Карельского перешейка представляет известный интерес (табл. 1).

Таблица 1 - Радиоактивность подземных вод в гранитах Карельского перешейка

*--откачка эрлифтом

С методической точки зрения, опробование этих вод на радон было не равноценным: часть скважин опробовалась при самоизливе или при откачке желонкой и различными погружными насосами, а часть при откачке эрлифтом. При последнем способе, по-видимому, происходило относительное разубоживание проб, и результаты анализа показывают заниженные значения концентраций радона. Но даже в этих пробах содержание радона достигает 33 эм/л, С генетических же позиций наибольший интерес представляют пробы, полученные при самоизливе или откачке погружными насосами. Количество радона в них колеблется от 23 до 450 эм/л. Как и следовало ожидать, максимальные содержания радона приурочены к участкам с низкой пористостью и очень замедленным движением подземных вод. Так, скважина в дер. Токарево, вскрывшая воду с самой высокой концентрацией радона, имеет удельный дебит 0,014 л/сек и пройдена на склоне древней чашеобразной долины. Такой низкий удельный дебит свидетельствует об очень малой пористости и трещиноватости, об очень плохой водоотдаче пород. Наличие же чашеобразной долины обусловливает чрезвычайно низкие скорости фильтрации и замедленный водообмен. У края такой «чаши» (там, где пройдена скважина) скорости фильтрации ещё более низкие, чем на центральных участках, где расположены скважины деревень Зайчихино и Морское. Относительно повышенный водообмен на последних участках обусловливает, по-видимому, и несколько более низкие концентрации радона в подземных водах. Кроме того, на участке деревень Зайчихино и Морское широко развита зона дезинтеграции гранитов, которая характеризуется относительно большей пористостью и трещиноватостью, чем трещиноватая зона. Скважина в дер. Бородинское расположена несколько обособлено и пройдена в иных гидрогеологических условиях: зоны дезинтеграции здесь почти нет, а на трещиноватых гранитах непосредственно залегает морена. Отсутствие чашеобразной структуры обусловливает относительно высокие скорости фильтрации подземных вод.

Кроме того, следует принять во внимание, что коэффициенты эманирования во всех рассмотренных случаях существенно отличаются от 100%. Поэтому, учитывая реальные гидрогеологические условия, можно предположить, что на участках с высокими концентрациями радона в подземных водах содержание радия во вмещающих гранитах заметно превышает кларковые значения, хотя порядок величин, видимо, остается тем же.

Рассмотренный фактический материал подкрепляет выдвинутую версию об источнике радона в подземных водах трещиноватой зоны гранитов и зоны их дезинтеграции. Кроме того, позволительно сделать вывод о том, что при поисках и разведке радоновых вод для бальнеологических целей, геологические работы следует ориентировать на изучение участков со слабым водообменом и изолированной гидрогеологической структурой. При этом, как правило, колодцы и скважины, вскрывающие водоносные горизонты с высоким содержанием радона в водах, будут малодебитными.

В воды четвертичных отложений и отложений гдовского горизонта радон попадает из подстилающих гранитов, и именно в этом, в первую очередь, условия накопления в них радона отличаются от только что рассмотренных. Поэтому расчёт максимальных возможных концентраций радона в этих водах должен производиться по иной схеме.

В четвертичных отложениях развиты преимущественно грунтовые, воды с открытой водной поверхностью. Для них оценка максимальных возможных концентраций радона может быть получена путем решения задачи о распределении радона в неактивных наносах, покрывающих активную или высокоэманирующую породу. В радиометрии такая задача решена. Для наиболее вероятного диапазона коэффициентов диффузии в рыхлых наносах (0,04--0,004 см2 сек-1) распределение концентраций радона в них происходит следующим образом: (см. табл. 2). где h -- мощность наносов в м, No -- концентрация радона у поверхности активного слоя.

Таблица 2 - Распределение концентраций радона в наносах

Указанное распределение концентрации рассчитано для наносов естественной влажности, характерной для зоны аэрации. В зоне насыщения коэффициенты диффузии меньше, и концентрации радона от поверхности активного слоя будут падать еще более резко. Принимая за оптимальные условия накопления радона в грунтовых водах четвертичных отложений положения, что весь радон, поступающий в рыхлые наносы, растворяется в грунтовых водах, а распределение его по глубине соответствует приведенным данным, и исходя из концентраций радона, вычисленных для трещиноватой зоны гранитов, получим следующие максимально возможные концентрации радона в подземных водах четвертичных отложений, залегающих на коре выветривания гранитов: у подошвы водоносного горизонта -- 100--70 эм/л, на расстоянии 4--6 м от подошвы 10--5 эм/л. Эти цифры получены для случая отсутствия водообмена.

Фактические концентрации радона, наблюдаемые в реальных условиях, колеблются от 2,6 до 46 эм/л (табл. 3). При этом максимальные концентрации связаны с низкими дебитами. Видно, что расчётным материал вполне увязывается с фактическими данными.

Таблица 3 - Радиоактивность подземных вод четвертичных отложений. Карельский перешеек

Подземные воды гдовского горизонта являются напорными. В кровле горизонта залегает мощная толща кембрийских глин, представляющая собой хороший регионально выдержанный водоупор, обеспечивающий условия, при которых выход эманации в атмосферу практически отсутствует. В такой обстановке с течением времени устанавливается стационарное распределение концентраций радона, которое наступает тогда, когда поток эманации из активного слоя будет равен количеству её, распадающемуся в единицу времени внутри вышележащего слоя. При этих условиях для концентрации N существует выражение

(2)

Мощность гдовского горизонта достигает 30 м. Рассчитаем возможные концентрации радона вблизи его подошвы и кровли, на расстояниях от первой 1; 5 и 25 м при значениях остальных параметров л = 2,1·10-6 сек-1, D = 0,04 см2сек-1, No = 500 эм/л.

Для случая практического отсутствия водообмена, при условии полного растворения радона, его концентрация в водах гдовского горизонта может достигать в 1 м от подошвы 100 эм/л, в 5 м -- 5 эм/л, а в 5 м oт кровли должно наблюдаться практическое отсутствие радона. При расчётах этих величин принимались оптимальные условия, часть которых заведомо идеализировалась. Поэтому реальные концентрации радона в рассматриваемых водах будут обязательно меньше расчётных значений. Фактические данные действительно ниже приведенных величин (табл. 4, 5).

Таблица 4 - Радиоактивность подземных вод гдовского горизонта. Карельский перешеек

Таблица 5 - Радиоактивность подземных вод гдовского и стрельницкого горизонтов

И все же можно сказать, что обстановка, в которой происходит накопление радона в водах гдовского горизонта, в связи с его изолированностью от атмосферы, отличается от обстановки четвертичных отложений несколько более выгодными условиями.

Поэтому, несмотря на один и тот же источник поступления эманации, в гдовском горизонте, особенно в нижних его частях, можно ожидать достаточно высокие концентрации радона, приуроченные главным образом к участкам со слабым движением подземных вод.

Для проверки версий, выдвинутых по кембро-ордовикскому горизонту, целесообразно пойти по следующему пути: принимая известные концентрации радона в подземных водах горизонта (табл. 6) за максимальные, рассчитываем по формуле (1) соответствующие им содержания радия во вмещающих песчаниках.

Исходя из оптимальных условий и принимая среднюю пористость песчаников равной 25%, получим нижний предел содержаний в них радия -- 4,4·10-12 г/г. Сразу отметим, что эта цифра превышает среднее содержание радия в кислых изверженных породах, а так как она является минимальным значением, то можно предполагать привнос радия в песчаники кембро-ордовикского горизонта одним из рассмотренных выше путей.

Таблица 6 - Радиоактивность подземных вод кембро-ордовикского горизонта. Ордовикское и Волховское плато

Если повышенные содержания радия находятся вблизи своих материнских элементов, то полезно подсчитать количество урана, равновесное с вычисленным содержанием радия. Это количество равно 1,31·10-5 г/г или 0,0013%. В настоящее время установлено, что выщелачиваемость радия из пород и минералов больше, чем -урана. Учитывая это обстоятельство, а также заведомое занижение рассчитанных значений радия, можно предполагать содержание урана в песчаниках кембро-ордовика до нескольких тысячных, а в ряде случаев и сотых процента. Однако возможность обогащения песчаников радием за счет его сокристаллизации с сульфатом бария остается такой же правомерной, как и существование уранового рудопроявления.

В последние годы повышенные концентрации радона обнаружены на некоторых участках подземных вод девонских (?) отложений (табл. 7). Их детальное исследование также представляет большой теоретический и практический интерес.

радон вода нанос отложение

Таблица 7 - Радиоактивность подземных вод девонских отложений

Краткое рассмотрение генетических проблем подземных вод Ленинградской области, обладающих повышенными концентрациями радона, вскрыло целый комплекс геологических, геохимических и гидрогеологических вопросов, требующих тщательного изучения. Решение этих вопросов поможет не только объяснить происхождение высоких концентраций радона в водах различных водоносных горизонтов, но и правильно ориентировать их поиски, разведку и эксплуатацию, а также позволит более широко исследовать проблему радиоактивности некоторых геологических толщ.

Литература

1. БарановВ.и. Радиометрия. М.: Изд. АН СССР, 1955

2. Дерпгольц В.Ф. Минеральные воды Ленинградской, Псковской и Новгородской областей //Тр. ВНИИГА, вып. 46. Л.: 1964. - 142-183 с.

3. Домарев В.С.Геология урановых месторождений капиталистических стран. М:, Госгеолтехиздат, 1956. - 274 с., - 328 с.

4. Дудко П.М. Подземные воды фосфоритных месторождений приглинтовой части Эстонии//Тр. ВНИИГА, вып. 46. Л.: 1964. - 206-217 с.

5. Катченков С.М. малые химические элементы в осадочных породах и нефтях. Л:, Гостоптехиздат,1959, - 279 с.

Размещено на Allbest.ru