Процессы разделения изотопов водорода и кислорода в подземных водах

Как следует из вышесказанного, процессы испарения -конденсации воды играют главную роль в разделении изотопов природных вод. В то же время испарение является непременным атрибутом поверхностных условии, т.е. оно может происходить в поверхностных или неглубоко залегающих грунтовых водах. Для глубоких подземных вод большинство гидрогеологов в настоящее время отрицает возможность подземного испарения в региональном масштабе. И.К. Зайцевым, например, показано (1970), что гипотеза подземного испарения противоречит геотермическим и гидродинамическим условиям артезианских бассейнов. Так как рост температуры по мере увеличения глубины свойствен всем артезианским бассейнам, то следовала бы ожидать, что процессы концентрирования солевого состава подземных вод должны происходить повсеместно, и тем интенсивнее, чем больше геотермический градиент, глубина залегания и возраст пород. Однако сопоставление гидрохимической и гидротермической зональности бассейнов не подтверждает это положение. Поскольку наиболее крепкие рассолы, как правило, приурочены к наиболее глубоким впадинам артезианских бассейнов, их образование в результате испарения могло иметь место только при условии непрерывного поступления огромного количества инфильтрационных вод в самые глубокие части бассейнов. В действительности же возможность такой инфильтрации исключается, так как гидростатические давления на глубинах часто вольте давлении, соответствующих абсолютным отметкам в областях питания.

Е.Ф.Станкевич (1971) подчеркивает, что если бы подземное испарение имело место, то при таком испарительном концентрировании подземных вод количество выпадающего гипса должно было бы более чем в 2,5 раза превышать объем пор водовмещающих пород. Подземное испарение неминуемо привело бы к полнейшей химической кольматации водоносных горизонтов, что не наблюдается в действительности.

Наконец, О.И.Смирнов (1989), подходя к проблеме подземного испарения с позиций термодинамики, доказывает отсутствие такого процесса а подземных водах ниже их водного зеркала.

Следовательно, испарение как основной процесс, ведущий к Фракционированию изотопов водорода и кислорода после поступления поверхностных вод в глубокие водоносные горизонты, по меньшей мере в региональном плане не имеет места.

Рассмотрим, могут ли другие возможные процессы, происходящие уже в подземных условиях, изменить первоначальный облик природных вод в изотопном отношении.

По данным В.Н.СойФера и др., при интерпретации распределения дейтерия в подземных водах изменением отношения H/D в результате изотопного обмена, наблюдаемого в некоторых природных газах и водах, можно пренебречь в силу малого масштаба массообмена при этих реакциях и в силу наличия процессов, ведущих к смещению разделяемых фаз.

Клейтон и др. (1982), ссылаясь на Роса, приводит сведения о том, что содержание дейтерия в сероводороде газовых месторождений на юго-западе Франции, равное 0,0085 ат.%, соответствует равновесию с 0,0150 ат.% дейтерия сопутствующих пластовых вод. Последние при контакте с естественным газом даже в условиях высоких температур (+140 °С) не изменяют характерных для них содержании дейтерия.

Изотопный обмен между водородом воды и водовмещающих пород пренебрежимо мал, так как содержание водорода в циркулирующей воде безгранично велико по сравнению с содержанием водорода в водовмещающих породах. Если водород является одной из двух элементарных составляющих воды — растворителя, то его содержание в литосфере, по данным А.П.Виноградова, составляет лишь доли процента.

Рассмотрим теперь некоторые особенности формирования изотопного состава поверхностных вод континентов. Наиболее полная региональная характеристика содержания дейтерия в поверхностных водах континентов дана Фридманом, а для территории Канады -Брауном. Изотопный состав воды рек, озер и других континентальных водоемов находится в прямой зависимости от изотопного состава атмосферных осадков, которыми они питаются. Поверхностные континентальные воды меньше подвержены изотопным изменениям во времени по сравнению с атмосферными осадками, а постоянные родники и непересыхающие колодцы являются наиболее надежными источниками воды для определения изотопных отношений, характерных для данного региона.

Изучена региональная характеристика содержания дейтерия в водах бассейнов р. Миссисипи и Атлантического побережья США. Бассейн реки Миссисипи охватывает значительную площадь восточной территории США с относительно низкими отметками над уровнем моря и с широким диапазоном колебания температур, которые определяют исходный изотопный состав атмосферных осадков. Определены также изолинии годичных слоев снегового покрова, с которым хорошо коррелируется относительное содержание дейтерия в поверхностных водах. Еще более близкая корреляция, как и следует ожидать, наблюдается между относительным содержанием дейтерия и отношением количества осадков, выпадающих в виде дождя и снега. В этом случае увеличение доли снеговых осадков ведет к уменьшению концентрации дейтерия в поверхностных водах и, наоборот, возрастание доли дождевых осадков сопровождается повышением содержания тяжелых изотопов.

Важным фактором в формировании изотопного состава поверхностных вод является испарение как из водоемов, так и с поверхности всего водосборного бассейна. В результате этого процесса вода в поверхностных водоемах обогащается тяжелыми изотопами по сравнению с местными осадками. В этом случае конечный эффект для водоемов в региональном аспекте зависит от соотношения величины осадков к испарению и условий их питания. В аридных зонах, где испарения превышают осадки, общий изотопный баланс будет с дефицитом легких изотопов. Для гумидных регионов, где осадки превышают испарение, должен обнаруживаться дефицит тяжелых изотопов. И, наконец, для районов, имеющих сбалансированный объем испарений и осадков, должен выдерживаться и изотопный баланс. На континентах балансирующую роль в отношении изотопного состава играют крупные реки, бассейны которых часто захватывают ряд климатических зон от гумидной до аридной.