Математическое моделирование формирования избытков 234U в подземных водах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Избытки урана-234 в природных водах коррелируют с глобальными климатическими вариациями, увеличиваясь в теплые и уменьшаясь в холодные эпохи. В подземных водах обнаруживаются ураганные отношения 234U/238U >> 10 (при равновесной величине равной 1 по активностям). На базе математических моделей показано, что такие аномалии являются результатом длительного в геологическом плане пребывания водоносных горизонтов в мерзлом состоянии в прошлом и их последующего таяния с образованием “возрожденных” вод. Решающий вклад в механизм формирования ураганных избытков 234U вносит присутствие незамерзающей пленочной влаги в составе многолетнемерзлых горных пород.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Токарев

Научный парк Санкт-Петербургского государственного университета

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.tokarev@spbu.ru
Россия, В.О., пер. Декабристов, 16, Санкт-Петербург, 199155

Список литературы

  1. Богомолов Е. С. Диффузия радиогенного свинца в цирконах: автореф. дис. … канд. г.-м. наук. Санкт-Петербург,1992. 17 с.
  2. Бондаренко Г. Н., Гудзенко И. С., Ковалюх Н. Н. Формирование фронта радиоактивных и стабильных изотопов в зоне разгрузки артезианского бассейна // Исследование природных вод изотопными методами. М.: Наука, 1981. С. 157–164.
  3. Гольдберг Е. Л., Грачев М. А., Эджингтон Д. Н., Навье Ж. и др. Прямая уран-ториевая датировка двух последних межледниковий в осадках озера Байкал // ДАН. 2001. Т. 380. № 6. С. 805–808.
  4. Карпенко Ф. С., Кутергин В Н., Фролов С. И., Собин Р. В. Влияние на прочность глинистых грунтов изменений свойств гидратных пленок при температурных воздействиях // Геоэкология. 2021. № 1. С. 69–78.
  5. Киселев Г. П. Четные изотопы урана в геосфере. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 220 с.
  6. Кузнецов Ю. В. Радиохронология океана. М.: Атомиздат, 1976. 279 с.
  7. Кучеренко Н. Л. Моделирование областей разупорядочения альфа-отдачи 238U и отношения активностей четных изотопов урана в галените и халькозине // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. 2005. Т. 5. № 1. С. 89–91.
  8. Оледенение Северной Евразии в недавнем прошлом и ближайшем будущем / Под ред. В. М. Котлякова. М.: Наука, 2007. 366 с.
  9. Осипов В. И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах. М.: ИГЭ РАН, 2012. 74 с.
  10. Поляков В. А. Изучение изменений гидрохимии и ресурсов подземных вод прибрежных водозаборов в Эстонии по изотопным данным // Тез. Всесоюзной конференции по гидрогеологии. Звенигород. 1991. С. 60–62.
  11. Старик И. Е. Основы радиохимии. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 460 c.
  12. Титаева Н. А. Ядерная геохимия. 2-е изд. М.: МГУ, 2000. 336 с.
  13. Тихонов А. И. Неравновесный уран в условиях активного водообмена и его использование в геологии и гидрогеологии. Чебоксары: ПБОЮЛ Л. А. Наумова, 2009. 453 с.
  14. Токарев И. В. Использование изотопных данных (δ2Н, δ18О, 234U/238U) при изучении процессов деградации мерзлоты в результате долговременных вариаций климата // Записки горного института. Тематический вып. “Тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии в современных экономических условиях России”. 2008. Т. 176/ С. 191–195.
  15. Токарев И. В., Зубков А. А., Румынин В. Г., Поздняков С. П. и др. Оценка долгосрочной безопасности захоронения радиоактивных отходов. 1. Палеореконструкция условий формирования подземных вод // Водные ресурсы. 2009. Т. 36. № 2. С. 219–227.
  16. Токарев И. В., Зубков А. А., Румынин В. Г., Поздняков С. П. Оценка долгосрочной безопасности захоронения радиоактивных отходов. 2. Исследование водообмена в многослойной системе изотопными методами // Водные ресурсы. 2009. Т. 36. № 3. С. 363–374.
  17. Токарев И.В., Хархордин И. Л., Поляков В. А., Румянцев В. А. и др. Изучение поведения δ2Н-δ18О и 234U/238U изотопных систем в посткриогенный период на численных моделях фильтрации // Тезисы международной конференции “Приоритетные направления в изучении криосферы Земли. 25–28 мая 2005 г., Пущино”. 2005. С. 54–55.
  18. Чалов П. И. Датирование по неравновесному урану. Фрунзе: Илим, 1968. 110 с.
  19. Чалов П. И. Изотопное фракционирование природного урана. Фрунзе: Илим, 1975. 204 с.
  20. Чалов П. И., Тихонов А. И., Васильев И. А. и др. Использование уран-изотопной информации для моделирования движения воды в мерзлых трещиноватых породах // Водные ресурсы. 1991. № 2. С. 96–108.
  21. Чердынцев В. В. Уран-234. М.: Атомиздат, 1967. 238 с.
  22. Andrews J. N., Giles I. S., Kay R. L.F., et al. Radioelements, radiogenic helium and age relationships for groundwaters from the granites at Stripa, Sweden // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1982. V. 46. P. 1533–1543.
  23. Arndt M .F., West L. A Study of the factors affecting the gross alpha measurement, and a radiochemical analysis of some groundwater samples from the state of Wisconsin exhibiting an elevated gross alpha activity // Wisconsin groundwater management practice monitoring project, DNR-176. Final report, 2004. 57 p.
  24. Calsteren van P., Thomas L. Uranium-series dating applications in natural environmental science // Earth-Science Reviews. 2006. V. 75. P. 155–175.
  25. Dickin A. P. Isotope geology. 2nd edition. Cabridge: Cabridge University Press. 2005, 497 p.
  26. Fleischer R. L. Alpha-recoil damage: Relation to isotopic disequilibrium and leaching of radionuclides // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1988. V. 52. P. 1459–1466.
  27. Fleischer R.L., Price P. B., Walker R. M. Nuclear tracks in solids. University of California Press. 1975. 983 p.
  28. Henderson G.M., Burton K. W. Using 234U/238U to assess diffusion rates of isotopic tracers in ferromanganese crusts // Earth Planet. Sci. Lett. 1999. V. 170.P. 169–179.
  29. Henderson G.M., Slowey N. C., and Haddad G. A. Fluid flow through carbonate platforms: Constraints from 234U/238U and Cl– in Bahamas pore-waters // Earth Planet. Sci. Lett. 1999. V. 169. P. 99–111.
  30. IPCC. Climate Change 2023: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. [Core Writing Team, H. Lee and J. Romero (eds.)]. Geneva, Switzerland, 2023. 184 p.
  31. Ivanovich M., Harmon R. S. Uranium-series disequilibrium: Applications to earth, marine and environmental sciences. Oxford University Press, 2nd edition. 1992. 972 p.
  32. Kigoshi K. Alpha-recoil 234Th: dissolution into water and the 234U/238U disequilibrium in nature // Science. 1971. V. 173. P. 47–48.
  33. Kronfeld J. Uranium deposition and Th-234 alpha-recoil: an explanation for extreme U-234/U-238 fractionation within the Trinity aquifer // Earth Plane. Sci. Lett. 1974. V. 21. P. 327–330.
  34. Kronfeld J., Godfrey-Smith D. I., Johannessen D., Zentilli M. Uranium series isotopes in the Avon Valley, Nova Scotia // J. Environmental Radioactivity. 2004. V. 73. P. 335–352.
  35. Ku T.-L. An evaluation of the 234U/238U method as a tool for dating pelagic sediments // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. № 14. P. 3457–3474.
  36. Lambert S. J., Carter J. A. Uranium-isotope systematics in groundwaters of the Rustler formation, northern Delaware basin, southeastern New Mexico I: Principles and preliminary results // Sandia Report SAND87–0388 UC-721 / Sandia National Laboratories, Albuquerque. New Mexico and Livermore, California. For the US DOE, Contract DE-AC04–76DP00789. 1987. 88 p.
  37. Madsen F. T. Clay mineralogical investigations related to nuclear waste disposal // Clays Minerals. 1998. V. 34. P. 109–129.
  38. Moore W.S. and Sackett W. M. Uranium and thorium series in equilibrium in seawater // J. Geoph. Res. 1964. V. 69. P. 401–405.
  39. Osmond K. and Cowart J. B. The theory and uses of natural uranium isotopic variations of hydrology // Atomic Energy Rev. 1976. V. 14. P. 621
  40. Rosenthal Y., Boyle E. A., Labeyrie L., Oppo D. Glacial enrichments of authigenic Cd and U in subantarctic sediments: A climatic control on the elements’ oceanic budget? // Paleoceanography. 1995. V. 10. № 3. P. 395–413.
  41. Rosholt N. Radioactive disequilibrium studies as an aid in understanding the natural migration of uranium and its decay products // United Nations Internat. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy, 2d. Geneva. Proc. v. 2. 1958.
  42. Tokarev I., Yakovlev E. Non-Equilibrium Uranium as an Indicator of Global Climate Variations — The World Ocean and Large Lakes // Water. 2021. V. 13. P. 3514.
  43. Tokarev I. V., Zubkov A. A., Rumynin V. G., Polyakov V. A. et al. Origin of high 234U/238U ratio in post-permafrost aquifers // Uranium in the Environment (Mining Impact and Consequences). Merkel B. J. and Hasche-Berger A. eds., Springer, 2005. P. 847–856.
  44. Tuovinen H.P. Mobilization of natural uranium series radionuclides at three mining sites in Finland: acad. diss. Faculty of Science of the University of Helsinki, Department of Chemistry. Helsinki. 2015. 56 p.
  45. Yakovlev E., Tokarev I., Zykov S., et al. Isotope Signs (234U/238U, 2H, 18O) of Groundwater: An Investigation of the Existence of Paleo-Permafrost in European Russia (Pre-Volga Region) // Water. 2021. V. 13. P. 1838.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Концептуальная схема обогащения подземных вод ураном‑234 в рамках одностадийной модели радиокинетического разделения [19, 21, 36].

Скачать (169KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение отношения 234U/238U (кривая 1, шкала слева) и время установления радиоактивно‑ го равновесия в поровой воде (кривая 2, шкала спра‑ ва) в зависимости от размера элементарного зерна при концентрациях урана в матрице [U]MATR = 3 мкг/г, [U]PORE = 3 нг/г и длине трека отдачи 234Th / = 55 нм (адаптировано из [24] и рассчитано по модели [29]).

Скачать (91KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Формы и размеры полостей, возникающих на месте трека α-частицы при травлении. Трек расположен: а — по нормали к ближайшей грани, б — под 45° к ближайшей грани. Цифры около кривых — продолжительность травления. Расчетная сетка не показана для удобства визуализации. 10

Скачать (488KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фрагмент сеточной модели зерна для расчетов методом Монте-Карло: слева — вариант “матрица + тре‑ ки”, справа — вариант “матрица + треки + микронарушения”. 1 — поры, содержащие гравитационную воду или лед; 2 — минеральная матрица (гидравлически непроницаема k = 10–10 м/сут); 3 — треки; 4 — микронарушения (контакты минеральных индивидов, газово-жидкие включения, микротрещины и т. п.); 5 — границы первого рода (HВХ = const, HВЫХ = const и C0 = 0); 6 — направление движения гравитационной воды по порам. Расчетная сетка не показана для удобства визуализации.

Скачать (367KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Одностадийная модель — варианты расчета 234U/238U на выходе из модели при стационарном потоке поровой влаги: а — “матрица + треки”, б — “матрица + треки + микронарушения”; параметр W/R — отношение объема про‑ фильтровавшейся воды к объему зерна; цифры около кривых — отношение DТРЕК/DМАТРИЦА; черная штрих-пунктирная линия — равновесное отношение 234U/238U = 1 (геометрия модели на рис. 4, плотность треков — 0.012 мкм/мкм2, матрица зерна гидравлически непроницаема k = 10–10 м/сут, пленочная влага отсутствует).

Скачать (158KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вариант расчета 234U/238U в поровой воде для двухстадийной модели: а — при отсутствии пленочной влаги, б — при наличии пленочной влаги в ММГП; параметр W/R — отношение объема профильтровавшейся воды к объему зерна; цифры около кривых — отношение DТРЕК/DМАТРИЦА; остальные обозначения на рис. 5.

Скачать (203KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах