ГАЗОВОЕ ДЫХАНИЕ ЗЕМЛИ

АРГОН-40

    Не меньшее значение для целей геологии и геоэкологии имеет и другой газ - аргон-40 (⁴⁰Ar), продукт распада радиоактивного изотопа калий-40 (⁴⁰К). Изменение химического состава земной коры с глубиной вызывает и изменение соотношения концентраций в глубинных водах гелия и аргона-40. Это дает возможность оценить тектоническую глубину разломов, а также прогнозировать в некоторых случаях перспективность исследуемого района на полезные ископаемые.
    Измерение концентрации аргона-40 в подземных водах позволяет решить одну из важнейших экологических проблем, а именно контроль целостности водозащитной толщи на рудниках, добывающих калийную соль. Аргон-40 как продукт распада калия-40 вследствие своего специфического происхождения является в данном случае идеальным индикатором [4].
    В 1995 году в районе Соликамска произошло тектоническое землетрясение средней силы (магнитуда около 5), которое вызвало подвижки верхних слоев земной коры. Условное геологическое строение данного района представлено на рис. 3, а. Как правило, мощный (на глубине более 100 м) слой калийных солей, который обычно и разрабатывается, перекрыт чередованием прослоев глины и тонких пластов тех же калийных солей. Выше верхнего слоя глинистых отложений обычно расположен водоносный горизонт, приуроченный к песчанникам, и далее сверху все замыкается карбонатными породами, которые условно назовем известняками.
    Опасность состоит в том, что при разрушении верхнего водозащитного слоя (глинистые отложения) подземные воды достигают залежи калийных солей, размывают их и, если последующие водозащитные слои также нарушены, подземные воды могут достичь разрабатываемого пласта калийных солей, размыть его и затопить шахту. Поэтому важно не только следить за смещением водозащитной толщи при современных тектонических процессах, но и контролировать состояние этой водозащитной толщи, ее целостность. Для такого контроля, как уже говорилось, оптимально изучение содержания аргона-40 в подземных водах, протекающих над залежами калийных солей.
    Отличие аргона от других газов, например водорода и метана, которые растворены в калийных солях и выделяются из них только при растворении соли в воде, состоит в том, что аргон-40 как инертный газ не связывается молекулами соли, диффундирует вверх к нижней поверхности водозащитной толщи, где возникает избыточное (относительно массива калийных солей) давление, если не нарушена сплошность глинистых отложений.
    Изучение концентрации аргона в подземных водах имеет свои особенности. Дело в том, что в эти воды всегда привносится с поверхности Земли атмосферный аргон, содержание которого в атмосфере составляет 0,93 об. %. Однако атмосферный аргон повсеместно имеет определенное соотношение концентрации изотопов аргон-40 и аргон-36, которое для нашей геологической эпохи равно 295,6. В процессе радиоактивного распада калия-40 генерируется только изотоп аргон-40, поэтому при нарушении водозащитной толщи должен наблюдаться сдвиг изотопного соотношения, что и позволяет определить наличие радиогенного аргона в подземных водах. Причем повышение концентрации аргона-40 на 0,003 об. % от его среднего содержания вызывает изменение изотопного соотношения на одну единицу (до 296,6), что четко фиксируется при масс-спектрометрическом анализе газовой пробы. Указанная методика исследований была применена с целью исследования последствий тектонического землетрясения. Результаты измерений представлены на рис. 3, б.   

Рис. 3. Результаты исследования целостности водозащитной толщи месторождения калийных солей.

Как видно из графиков на рис. 3, б, с января по март в подземных водах наблюдалось постоянное, в пределах погрешности измерений ( 0,1%), изотопное отношение аргон-40/аргон-36, типичное для атмосферного воздуха (295,6 0,25). Содержание метана и водорода не превышает погрешности измерений ( 0,01%) за период с января по май.
    Однако с апреля начинается изменение изотопного отношения, максимум которого достигается в мае. При этом соответственно содержание аргона-40 увеличивается на 0,58%. Постепенно величина изотопного отношения аргона возвращается к исходному состоянию (июнь). Начиная с мая в подземных водах наблюдательной скважины появляются метан и водород, которые выделяются из калийных солей по мере их растворения. Концентрации метана и водорода в подземных водах увеличиваются относительно первоначального уровня более чем в 60 раз и достигают величин больших, чем дополнительное увеличение концентрации радиогенного аргона. Уменьшение концентраций метана и водорода во времени медленнее, чем наблюдаемое уменьшение концентрации аргона. Указанные измерения позволяют смоделировать процесс разрыва водозащитной толщи следующим образом.
    Вследствие тектонического землетрясения постепенно разрушился первый слой водозащитной толщи, что привело сразу же к появлению дополнительного радиогенного аргона-40 в подземных водах. Затем происходил размыв первого нерабочего прослоя калийных солей, что вызвало выделение метана и водорода, растворенных в этих солях. Дальнейшее развитие процесса приостановилось. В настоящее время аргоновый метод контроля взят на вооружение экологическими службами рудников на месторождениях калийных солей.

Назад| Следующая страница