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.