В Кольском научном центре определили возраст древних подземных вод

Радиогенный гелий (Не) образуется в породах земной коры при распаде урана и тория и почти полностью (на 90 процентов) попадает в подземные воды, с которыми впоследствии выносится в атмосферу. Содержание гелия в подземных водах связано с длительностью изоляции воды от атмосферы, то есть позволяет судить о подвижности (а, значит, и возрасте) воды.

Оценка возраста особенно важна для древних вод, поскольку эта информация используется при проектировании хранилищ радиоактивных и токсичных отходов. Концентрации гелия обычно измеряются непосредственно в пробах воды. Но трудность заключается в том, что наиболее древние воды обычно наименее доступны. Отобрать пробу воды с большой глубины, из плотных пород избежав при этом ее дегазации зачастую просто невозможно.

Метод, разрабатываемый коллективом исследователей из Геологического института КНЦ РАН, позволяет избежать прямого отбора воды и получить информацию о концентрациях гелия в воде путем анализа зерен кварца из керна скважин. Кварц наиболее проницаем для гелия по сравнению с другими минералами, гелий накапливается во «внутреннем объеме» кварца (преимущественно во флюидных включениях).

Таким образом, кварц отбирает гелий из окружающей воды и достаточно надежно его удерживает. В условиях залегания древних вод концентрации гелия в воде и во флюидных включениях в кварце находятся в равновесии, поэтому определив концентрацию радиогенного гелия в кварце, отобранном с определенной глубины, мы получим и концентрацию гелия в подземных водах с этой же глубины. Зная содержания урана и тория (при распаде которых образовался гелий) в окружающих породах, определим возраст поровых вод.

Единственное существенное ограничение такой методики связано с разрушением некоторых флюидных включений в ходе экспериментов: температура опытов по экстракции гелия выбиралась таким образом, чтобы не повредить структуру кварца, однако флюидные включения в некоторых образцах могут разрушаться при относительно низких температурах.

В статье, опубликованной в международном журнале Chemical Geology, представлена усовершенствованная методика, позволяющая выделить стабильные флюидные включения, для чего предложено подвергать образцы кратковременному предварительному прогреву, разрушающему включения, вскрывающиеся при низких температурах. В статье также предложен экспресс-метод отбраковки образцов, непригодных для дальнейшего изучения, основанный на анализе кривых выделения гелия при линейном нагреве образца.

Предложенный подход позволил определить парциальное давление гелия (приблизительно 1,5 атмосфер) в кварце из пород Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) на глубине около 10 километров и рассчитать его концентрацию в поровых водах на этой глубине, которая составляет 1,3 × 10^-6 моль/см³ Н₂О.

По содержанию гелия в воде, а также урана и тория в керне СГ-3 определено время нахождения Не (возраст воды) в системе вода – порода на глубинах около 10 километров, которое составляет около 1700 миллионов лет, что свидетельствует о застойных, практически неподвижных водах на таких глубинах. 

КНЦ РАН

76 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше