CC BY
6
УДК 551.464.3 (1-924.71)
ОБ ОТКРЫТИИ СЛАБОРАДОНОВЫХ ВОД - СЕДОВА ЗАИМКА
Новиков Дмитрий Анатольевич12, Дульцев Федор Федорович1,
NovikovDA@ipgg.sbras.ru DultsevFF@ipgg.sbras.ru
Пыряев Александр Николаевич32, Деркачев Антон Сергеевич2,
pyrayev@igm.nsc.ru a.derkachev@g.nsu.ru
Максимова Анастасия Алексеевна21, Черных Анатолий Витальевич1,
rock.nastaya64@gmail.com ChernykhAV@ipgg.sbras.ru
Сухорукова Анна Федоровна12, Хващевская Альбина Анатольевна4,
SukhorukovaAF@ipgg.sbras.ru unpc_voda@mail.ru
1 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3/6.
2 Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1.
3 Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3.
4 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Актуальность исследования заключается в получении актуальных изотопно-геохимических данных о природных водах и вмещающих горных породах проявления радоновых вод Седова Заимка.
Цель: изучить особенности химического состава природных вод и водовмещающих пород и получить первые сведения по активности 222Rn и изотопному составу öD, 518O, 513С, 234U, 238U, 226Ra и 228Ra.
Методы. Лабораторное изучение химического состава методами титриметрии, ионной хроматографии, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой проводилось в ПНИЛ гидрогеохимии ИШПР ТПУ. Определение комплекса величин 5D, 518O, ö13Cdic вод и растворенного неорганического углерода (Dissolved Inorganic Carbon (DIC)) проводилось в центре коллективного пользования ИГМ СО РАН с помощью прибора Isotope Ratio Mass Spectrometer FinniganTM MAT 253, снабженного приставками пробоподго-товки H/Device (для определений öD) и GasBench II (для определений 518O и 513Cdic). Измерение содержаний 222Rn в водах проводилось на комплексе «Альфарад плюс» в лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири ИНГГ СО РАН. Данные по общей ß-активности вод, а также активностях 234U, 238U, 226Ra и 228Ra получены после предварительной радиохимической пробоподго-товки на альфа-спектрометре ALPHA-ENSEMBLE-8 (Ametek, ORTEC, США); гамма-спектрометрической системе, скомпонованной на базе колодезного коаксиального HPGe ППД с низкофоновым криостатом EGPC 192-P21/SHF 00-30A-CLF-FA фирмы EURISYS MEASURES (Франция) и альфа-бета радиометре для измерения малых активностей УМФ-2000 с кремниевым детектором (НПО «Доза», Россия). Разделение данных на однородные геохимические совокупности выполнено с помощью коэффициентов Са/Na, Са/Mg, Ca/Si, Mg/Si, Na/Si. Для выявления степени концентрирования химических элементов в природных водах были рассчитаны коэффициенты концентрации Kk¡= — и водной миграции (по А.И. Перельману) Kx1=TdOH..
nx anx
Результаты. Открыто проявление радоновых вод Седова Заимка, и впервые выполнены комплексные изотопно-геохимические исследования. Радоновые воды (активность 222Rn до 428 Бк/дм3) в основном характеризуются HCO3 Mg-Na-Ca составом с величиной общей минерализации от 158 до 581 мг/дм3 и содержанием кремния от 4,34 до 30,84 мг/дм3. Геохимические параметры среды варьируют от восстановительной до окислительной обстановки с величинами Eh от -40,2 до +28,4 мВ; pH от 7,5 до 7,6 и O2раств. от 2,99 до 5,24 мг/дм3. Значения геохимических коэффициентов составляют: Ca/Na 77,17; Ca/Mg 6,63; Ca/Si 11,42; Mg/Si 1,48; Na/Si 0,92; Si/Na 15,34; rNa/rCl 2,12; SO4/CI 4,02, что закономерно указывает на процессы формирования химического состава радоновых вод во вмещающих породах преимущественно алюмосиликатного состава. Среди микрокомпонентов наиболее высокими средними содержаниями выделяются (мг/дм3): Si=17,77; Fe=1,18; Mn=0,16; Zn=0,020 и W=0,0036. Значимых коэффициентов концентрации микрокомпонентов не выявлено. Сильной миграционной способностью в растворе обладает Sr, средней - Si, Mn, Ba, Cs и U. Суммарная ß-активность вод составляет 32 мБк/дм3. Содержания природных радионуклидов варьируют (мг/дм3): 238U от 3,91-10~4 до 6,39-10~4; 232Th от 6,02-10~6 до 2,37-10~5 и 226Ra от 6,66-10~11 до 1,09-10~10.232Th/238U отношение в водах изменяется от 1,02-10~2 до 3,71-10~2, что является следствием окислительной геохимической обстановки, в которой торий не мигрирует. Уранизотопное отношение (у) 234U/238U составляет 5,75 при активности изотопов урана (мБк/дм3): 234U (115± 7), 238U (20±2), что указывает на неглубокую циркуляцию изученных вод. Активность изотопов радия в водах равна у 226Ra 70±7, а у 228Ra 51,8±3,9 мБк/дм3. Отношение 226Ra/228Ra в HCO3 Mg-Na-Ca радоновых водах составляет 1,35. Изотопный состав радоновых вод (от-126,3 до-121,1 %одля öD и от-16,8 до-16,3 %одля ö18O) указывает на их метеорно-инфильтрационное происхождение. Изотопный состав углерода ö13Cdic указывает на биогенное происхождение углекислоты и ее участие в процессе карбонат-силикатного выветривания пород.
Ключевые слова:
Радоновые воды, стабильные изотопы, радионуклиды, генезис вод, граниты, новое проявление радоновых вод Седова Заимка, Западная Сибирь.
DOI 10.18799/24131830/2022/12/3735
61
Введение
На территории Новосибирской области (НСО) радоновые воды пользуются широким распространением и начало их изучению было положено в связи с массовыми поисками урана в Советском Союзе. Эти исследования проводились СУ «Енисейстрой» МВД СССР начиная с 1945 г. и в дальнейшем связаны с работами Березовской экспедиции. Их результатом стало открытие в 30 км севернее города Новосибирска месторождения урана Пригородное с прогнозными ресурсами около 1 тыс. т [1-3]. Степень изученности радоновых вод НСО находится на низком уровне, что отмечалось ранее в работах Е.В. Посохова, Н.И. Толстихина, В.К. Гусева, Е.К. Вериго, Ю.Н. Вараксина, Н.А. Рослякова, В.В. Быковой и других [4-8]. В последние годы изуче-
ние аспектов формирования состава подземных вод НСО различного изотопно-геохимического облика ведется в ИНГГ СО РАН. Радоновые воды широко распространены на Земле, активность радона достигает 182000 Бк/дм3 [9-20]. Поэтому получение актуальных сведений об их химическом и изотопном составе представляет весьма актуальное направление исследований. В период с 2018 по 2021 гг. в НСО были открыты новые проявления радоновых вод: Инские источники, Скалинское, Новобибеевское и Седова Заимка. Первые три описаны нами ранее [21-26]. В этой связи целью настоящей работы является представление первых результатов комплексных изотопно-геохимических исследований проявления радоновых вод Седова Заимка (рис. 1, а).
Рис. 1. Местоположение объектов исследования (а), диаграмма Пайпера химического состава изученных вод (б), быстроизменяющиеся геохимические параметры среды (в). Поверхностные воды: р. Бибиха - 121Rn, 122Rn; р. Шатуниха - 123Rn, 124Rn; р. Обь - 125Rn; р. Безымянная - 127Rn; р. Смородинка - 128Rn, 129Rn; р. Ключевая - 130Rn; р. Малый Барлак - 131Rn; р. Большой Барлак - 132Rn; р. Пашенка - 133Rn; подземные воды: 126Rn - скв. водопроводная глубиной 110 м; 138Rn - скв. 1 глубиной 110 м; 139Rn - скв. 2 глубиной 10 м; 7584; 6343; 8372; 6859; 6481; 6215; 6333 - разведочные скважины глубиной от 25 до 140 м Fig. 1. Location of objects of study (а), Peiper diagram of the chemical composition of the studied waters (b), dependence of geochemicalparameters on each other (c). Surface water: r. Bibikha - 121Rn, 122Rn; r. Shatunikha - 123Rn, 124Rn; r. Ob - 125Rn; r. Bezymyannaya - 127Rn; r. Smorodinka - 128Rn, 129Rn; r. Klyuchevaya - 130Rn; r. Maly Barlak - 131Rn; r. Bolshoy Barlak- 132Rn; r. Pashenka - 133Rn; groundwaters: 126Rn - well tap water, depth 110 m; 138Rn - well 1, depth 110 m; 139Rn - well 2, depth 10 m; 7584; 6343; 8372; 6859; 6481; 6215; 6333 - exploratory wells with a depth from 25 to 140 m
Материалы и методы
В полевой сезон 2020 г. было отобрано 15 проб природных вод на территории Кубовинского сельсовета. Лабораторное изучение их химического состава методами титриметрии, ионной хроматографии, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой проводилось в ПНИЛ гидрогеохимии ИШПР ТПУ [24]. Название химического типа воды дано в соответствии с формулой М.Г. Курлова (более 10 %-экв) по отте-ночному принципу от меньшего к большему.
Анализ изотопного состава вод (5D и 5 O) и DIC (513Cdic) выполнялся с помощью масс-спектрометра изотопных отношений Finnigan™ MAT 253, снабженного приставками пробоподготовки H/Device и GasBench II, в Аналитическом центре МИИ Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН. Исследования проводили с использованием известных методик [27-30]. Все измерения проводились относительно материалов сравнения МАГАТЭ: NBS-18 и NBS-19 - при измерениях 513Cdic; VSMOW2, SLAP2 и GISP - при измерениях 5D и 518O [31]. Погрешность измерений не превышала 0,1 %% при анализе изотопного состава углерода, 0,2 % - кислорода и 2 % - водорода.
Измерение активности 222Rn в водах проводилось на комплексе «Альфарад плюс» в лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири ИНГГ СО РАН. Исследования по общей ß-активности вод, а
234т т 238т т 226d 228-q
также активностях U, U, Ra и Ra выполнены в Аналитическом центре МИИ Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН после предварительной радиохимической пробоподготовки на альфа-спектрометре ALPHA-ENSEMBLE-8 (Ametek, ORTEC, США); гамма-спектрометрической системе, скомпонованной на базе колодезного коаксиального HPGe ППД с низкофоновым криостатом EGPC 192-P21/SHF 00-30A-CLF-FA фирмы EURISYS MEASURES (Франция) и альфа-бета радиометре для измерений малых активностей УМФ-2000 с кремниевым детектором (НПО «Доза», Россия) [24].
Разделение данных на однородные геохимические совокупности по процессам формирования состава с оценкой интенсивности их проявления выполнено на основе соотношения химических элементов в водах. Коэффициенты Са/Na, Са/Mg, Ca/Si, Mg/Si, Na/Si использованы для оценки особенностей обогащения вод за счет процессов гидролиза алюмосиликатов и конгруэнтного растворения карбонатов; SO4/Cl>>1 и rNa/rCl>>1 - гидролиза алюмосиликатов и окисления сульфидных минералов; пропорциональное увеличение значений SO4/Cl=1, rNa/rCl>1, Са/№>0 - испарительного концентрирования [24].
Для выявления степени концентрирования химических элементов в природных водах были рассчитаны коэффициенты концентрации (Kki) и водной миграции по А.И. Перельману (Kx1) [32]. Первый рас-
mx
считывается как: Kk¡=—, где mx - содержание эле-
nx
мента в воде; nx - содержание элемента во вмещаю-
¡ ~ тг mx^100
щих породах в г/т. Второй: Kx1 =-, где mx - со-
a^nx
держание элемента в воде (мг/дм3); a - минерализация (мг/дм3) и nx - содержание элемента во вмещающих породах в %.
Результаты и обсуждение
Геологические условия
Территория исследования относится к Новосибирской зоне Обь-Зайсанской складчатой области герци-нид [33]. На большей части территории развит Бар-лакский гранит-лейкогранитовый мезоабиссальный комплекс (T1-2b), который представлен двумя фазами внедрения. Первая фаза представлена штокообразны-ми телами и сложена среднезернистыми биотитовыми монцолейкогранитами (slyT1-2b1), в то время как вторая фаза представлена небольшими телами (дай-кообразными) мелкозернистых порфировидных мон-цолейкогранитов (slyT1-2b2). Комплекс прорывает песчано-глинистые отложения нерасчлененных сала-матовской и ярской толщ D3-C1sm-jar. Контакт характеризуется крутым падением и обширной зоной распространения роговиков и ороговикованных пород. Немногочисленные выходы коренных пород на дневную поверхность наблюдаются в долинах рек Шату-ниха и Бибиха. Палеозойский комплекс перекрыт довольно мощной толщей четвертичных отложений фе-досовской свиты (Q/) и аллювиальными отложениями третьей (Qn-m3), второй (Qlll2) и первой (Qlll1) надпойменных террас р. Оби [34].
Геохимия природных вод
Природные воды на изучаемой территорий характеризуются преимущественно HCO3 Mg-Ca составом (рис. 1, б) с величиной общей минерализации 158-581 мг/дм3 и содержанием кремния 0,65-30,84 мг/дм3. На рис. 1, в отмечена положительная корреляция между Eh, pH и О2раств. Воды характеризуются слабощелочным рН (7,5-8,5), как восстановительными, так и окислительными условиями геохимической обстановки с Eh от -40,2 до +252,2 мВ и содержаниями O^c-m. oт 2,99 до 9,91 мг/дм3. Распределение радона закономерно следует общим тенденциям для подземных и поверхностных вод, концентрируясь в первой группе (табл. 1).
Подземные воды (первая группа) собственно пресные (минерализация 364-581 мг/дм3), преимущественно HCO3 Mg-Na-Ca составом и содержанием Si=4,34-30,84 мг/дм3. Геохимические параметры среды отвечают как восстановительной (Eh -40,2 мВ), так и окислительной обстановке (Eh +28,4 мВ) со слабощелочным pH 7,5-7,6 и О2раств. 2,99-5,24 мг/дм . Геохимические коэффициенты Ca/Si (от 4,14 до 4,78) и Na/Si (от 0,02 до 1,69) свидетельствуют о формировании их состава при взаимодействии с породами преимущественно алюмосиликатного состава. Интересно отметить, что среди первой группы в водах скважины № 2 поселка Седова Заимка выявлен относительно высокий коэффициент Ca/Si, который равен 25,34. Это может свидетельствовать о существенной роли кальция во вмещающих горных породах. Величины остальных геохимических коэффициентов в среднем составляют: Ca/Na 77,17, Ca/Mg 6,63, Mg/Si 1,48, rNa/rCl 2,12, SO4/Cl 4,02.
В микрокомпонентном составе отмечены высокие относительно поверхностных вод концентрации Fe, Мп, Zn, W, которые составляют в среднем (мг/дм3) 1,18; 0,16; 0,020; 0,0036 соответственно. Повышенные концентрации железа и марганца определяются высоким региональным гидрогеохимическим фоном, а вольфрама - проявлениями рудной минерализации. Для А1 (0,0003 мг/дм3), V (0,00003 мг/дм3) и Y (3,50-10-6 мг/дм3) характерны низкие концентрации. Спектры распределения химических элементов природных вод во многом носят унаследованный характер вмещающих горных пород (рис. 2, а). Значимых коэффициентов концентрации микрокомпонентов не выявлено (рис. 2, б). Сильной миграционной способностью обладает Sr; средней - Si, Мп, Ва, Cs и и; слабой - П, А1, Р, V, №, Rb, У, Zr, N и ТЬ (рис. 2, в). Различия в рядах миграции между общепринятыми значениями по А.И. Перельману связаны в первую очередь с тем, что расчет велся по отношению к роговику, отобранному в исследуемом районе.
Поверхностные воды (вторая группа) по составу отвечают НС03 Mg-Ca с минерализацией 158-513 мг/дм3,
содержанием Si=0,65-12,67 мг/дм . Геохимические параметры среды отвечают окислительной обстановке с ЕЬ +88,8 - +252,2 мВ, рН 7,9-8,5 и содержанием О2раств. 7,46-9,91 мг/дм3. Значения геохимических коэффициентов выше, чем в подземных водах, в среднем в четыре раза и выстраиваются в следующий ряд: Ca/Na204,3l>Ca/Si24,56>Si/Na22,89>Ca/Mg8,92>Na/Si5,44>SO4/ СЬу^М^^гШгСЬд/ь что указывает на активное накопление кальция в растворе. В микрокомпонентном составе отмечаются высокие относительно подземных вод средние содержания (мг/дм3): В0,065>А10,037>и0,0057>
А^,0035>^,0016>Си0,0010>№0,0009>'Л(),()008>РЬ0,00051>Н&,00002.
Среди поверхностных вод выделяется река Пашенка, для которой характерны максимально высокие концентрации (мг/дм3) SO42-105>CГ49>Na+35 93>К+3 3. Химический тип меняется с НСО3 Mg-Ca на ' С1^04-НС03 Mg-Na-Ca, что может быть связано с антропогенным влиянием. Значимых коэффициентов концентрации микрокомпонентов не выявлено (рис. 2, б). Сильной миграционной способностью в растворе обладают Sr и и; средней - Мп, Р и Ва; поведение остальных химических элементов схоже с первой группой (рис. 2, в).
подземные поверхностные породы
Рис. 2. Спектр распределения микрокомпонентов в водах и вмещающих горных породах проявления радоновых вод Седова Заимка (а), распределение коэффициентов концентраций (б), ряды миграции микрокомпонентов в природных водах (в)
Fig. 2. Spectrum of trace elements distribution of Sedova Zaimka occurrence (а), distribution of concentration factors (b), microelements migration series in natural waters (c)
Таблица 1. Химический состав природных вод проявления Седова Заимка
Table 1. Chemical composition of the natural waters of the Sedova Zaimka occurrence
№ пробы sample no Eh О2 222Rn HCO3- SO42- Cl- Ca2+ Mg2+ Na+ К+ М* Y ХРЗЭ Th U
pH мВ mV мг/дм3 mg/dm3 Бк/дм3 Bq/dm3 мг/дм3/mg/dm3 Th/U
Поверхностные воды/Surface waters
121Rn 8,4 +88,8 9,64 1 287 11 2 86 7 6,7 1,1 408 0,000255 0,001230 8,08-Ю-6 2,07-10-3 0,0039
122Rn 8,3 +146,5 8,78 1 288 8 4 84 6 5,8 0,9 400 0,000437 0,002063 5,35-Ю-6 2,45 •Ю-3 0,0022
123Rn 8,1 +144,4 9,50 - 213 9 2 56 7 7,8 0,9 296 0,000182 0,000665 - 1,48-10-3 -
124Rn 7,9 +112,9 7,80 - 207 7 2 61 6 0,2 0,9 285 0,000089 0,000264 2,35-Ю-6 9,23 •Ю-4 0,0025
125Rn 8,6 +93,6 9,73 - 100 16 1 31 5 0,2 1,3 158 0,000372 0,001397 3,57-Ю-6 7,10-Ю-4 0,0050
127Rn 8,4 +252,2 9,91 - 211 9 2 63 8 0,1 1,0 298 0,000066 0,000200 - 1,65-10-3 -
128Rn 8,1 +166,4 8,35 15 204 7 2 62 7 0,1 1,4 289 0,000175 0,000586 - 3Д0-10-4 -
129Rn 8,5 +147,1 9,60 226 9 2 71 6 0,1 1,1 319 0,000133 0,000532 - 9,40-Ю-4 -
130Rn 8,4 +144,7 9,64 242 8 2 66 7 7,0 1,0 337 0,000094 0,000353 3,98-Ю-6 1,09-10-3 0,0037
131Rn 8,1 +184,9 8,01 1 299 5 2 80 10 9,7 1,0 414 0,000071 0,000338 5,35-Ю-6 4,29-10-4 0,0125
132Rn 8,2 +194,4 7,60 358 17 5 94 17 10,9 1,6 513 0,000344 0,001821 1,14-10-5 1,73-10-3 0,0066
133Rn 8,3 +160,8 7,46 3 183 105 49 81 15 35,8 3,3 497 0,000058 0,000410 6,34-10-5 5,48-10-2 0,0012
Радоновые воды/Radon waters
126Rn 7,6 +10,0 2,99 150 259 16 3 72 12 0,3 0,7 364 0,000005 0,000008 6,02-Ю-6 5,93-Ю-4 0,0102
138Rn 7,6 -40,2 3,62 201 311 15 6 73 15 18,6 0,9 444 0,000005 0,000011 2,37-10-5 6,39-Ю-4 0,0371
139Rn 7,5 +28,4 5,24 13 349 34 9 110 12 7,3 1,6 532 0,000001 0,000019 - 3,91-Ю-4 -
6215 - - - 428 292 - 15 62 12 26,0 - 407 - - - - -
Подземные воды/Groundwaters
7584 - - - - 281 12 4 72 12 8,0 - 389 - - - - -
6343 - - - - 342 55 15 81 10 53,0 - 556 - - - - -
6859 - - - - 427 - 12 80 17 45,0 - 581 - - - - -
6481 - - - - 317 6 12 64 9 40,0 - 448 - - - - -
6333 - - - - 366 16 12 88 14 26,0 - 522 - - - - -
Примечание: № пробы соответствует рис. 1, а; * - минерализация; «—» — нет данных. Note: Sample number corresponds to Fig. 1, a; — mineralization; «—» — no data.
Радионуклидный и редкоземельный состав природных вод
Результаты радиохимических исследований природных вод представляют большой интерес, так как природные радионуклиды из-за большого ионного радиуса являются весьма несовместимыми элементами и концентрируются в остаточном расплаве, в итоге большое их количество содержится в породах преимущественно кислого состава. Активность 222Яп в подземных водах варьирует в диапазоне от 13 до 428 Бк/дм3, что позволяет отнести их к классам от безрадоновых до умеренно радоновых (по классификации Н.И. Толстихина) [7].
Воды обогащены (мг/дм3): 238и (3,9Ы0-4-6,3940-4), 232ТЬ (6,02-10-6-2,37-10-5). 232ТЬ/Й8И изменяется от 0,01 до 0,04, при среднем 0,02. Поверхностные воды отличаются более высокими концентрациями 238и (3,10-10-4-5,48-10-2) мг/дм3 и низкими 232ТЬ (2,35• 10-6-6,34• 10-5) мг/дм3. 232ТЬ/238и отношение в поверхностных водах варьирует в интервале от 0,0011 до 0,0125, при среднем 0,0047. Интересно отметить отрицательную корреляцию между ТЬ/и отношением и геохимическими параметрами среды (рис. 3, а, б). Это вполне закономерная картина, так как по химическим свойствам уран хорошо мигрирует в окислительных, а торий в восстановительных условиях. Суммарная Р-активность радоновых вод составляет 32 мБк/дм . Уранизотопное отношение (у) 234и/и составляет 5,75 при активности изотопов урана (мБк/дм3): 234и (115±7), 238и (20±2), что указывает на неглубокую циркуляцию изученных вод. Активность изотопов радия в водах равна у 226Яд 70±7, а у 228Яд 51,8±3,9 мБк/дм3. Отношение 226К.а/228Яд в НС03 Mg-Na-Ca радоновых водах составляет 1,35.
На присутствие в водах редкоземельных элементов (РЗЭ) указывает наличие в них иттрия, так как последний является химическим аналогом лантана. Это можно заметить на рис. 3, д, где показана положительная корреляция между иттрием и РЗЭ. Одной из главных причин изучения РЗЭ в водах является использование их в качестве чувствительных маркеров процессов взаимодействия в системе вода-порода. Так, воды сильно различаются по редкоземельному составу. Сумма РЗЭ в подземных водах составляет 8,23-10-6-1,86-10-5 мг/дм3, в поверхностных -2,00-10-4-1,82-10-3 мг/дм3, что в среднем выше в 50 раз. В подземных водах сумма тяжелых РЗЭ ниже, чем легких, в среднем в семь раз, что указывает на присутствие во вмещающих породах минералов, концентрирующих легкие РЗЭ (полевые шпаты, биотит). Обратная же картина наблюдается у поверхностных вод, где тяжелых РЗЭ больше легких практически в семь раз, это может быть обусловлено высокими значениями рН. Наблюдается положительная корреляция суммы РЗЭ с геохимическими параметрами среды, такими как ЕЬ и рН. Такая зависимость может указывать на существенную роль в питании речных вод подземными.
Изотопия О, Н и Сшс природных вод
Данные о составе стабильных изотопов Н, О и Сею в водах п. Седова Заимка представлены в табл. 2 и на рис. 4. Все изученные воды имеют слабощелочную среду (значения рН варьируют от 7,6 до 8,5), величина общей минерализации изменяется в довольно широком диапазоне: от 158 мг/дм3 в водах р. Обь до 513 мг/дм3 в водах р. Большой Барлак. Остальные
изученные объекты имеют промежуточные значения величины общей минерализации, изменяющейся от 300 до 400 мг/дм3. Главными анионами в составе изученных вод выступают гидрокарбонат- и сульфат-ионы, остальные (Cl-, PO43+ и др.) - в подчиненном количестве (рис. 1, б). Мольные соотношения SO42-/HCO3- в изученных водах не превышают 9x10-2. Суммарное содержание (Dissolved Inorganic Carbon -DIC) в водах, определенное как сумма мольных концен-
траций С02, НС03- и С03 -, согласуется с величиной общей минерализации: максимальное значение характерно для вод р. Большой Барлак (7,3 ммоль/дм3), минимальное - для вод р. Обь (2,2 ммоль/дм3), при среднем содержании в 4-6 ммоль/дм . Изотопный состав кислорода и водорода вод находится в довольно узком интервале значений: от -126,3 до -111,0 %о для 5Б и от -16,6 до -14,1 % для 5180. Водорастворенная углекислота (РГС) имеет значения 513ССю от -13,6 до -5,2 %.
, мг/дм"
Рис. 3. Зависимость Th/U отношения, Y и ^РЗЭ от геохимических параметров среды природных вод. Условные обозначения - на рис. 1, б
Fig. 3. Dependence of the Th/U ratio, Y and YREE on the geochemical parameters of the environment of natural waters. For designations, see Fig. 1
На рис. 4, а представлены значения 5D и S18O для исследованиях (LMWL 2020) [24]. Большинство по-
поверхностных и подземных (радоновых) вод п. Се- лученных проб хорошо ложатся на перечисленные
дова Заимка, также приведены тренды глобальной линии метеорных вод. Отметим, что наиболее кор-
линии метеорных вод (GMWL) [35] и локальных ли- ректно изученные воды описывает локальная линия
ний метеорных вод, основанных на данных междуна- LMWL 2020, полученная авторами [24]. Результаты
родной базы Wiser (LMWL Wiser) [36] и собственных изотопно-геохимических исследований указывают на
метеорно-инфильтрационное происхождение радоновых вод. Ряд точек отклоняется от линий метеорных вод вправо. Для поверхностных вод это отклонение обусловлено их испарением [37], которое может быть описано локальной линией испарения 5D=4,8*5180-41,3, достаточно близкой к указанной в работе [24]: 5D=5,2*5180-37,7. В наибольшей степени эффект испарения проявляется для вод небольшой реки Пашенка (обр. 133Rn), для более крупных водоемов он несущественен.
Таблица 2. Изотопный состав H, O и DIC в водах п.
Седова Заимка Table 2. Isotopic composition of H, O, and DIC in the waters of Sedova Zaimka
Отдельно выделяются точки, характеризующие изотопный состав вод, отобранных из скважины глубиной 110 м в п. Седова Заимка (обр. 126Rn: 5Б=-126,3 5180=-16,3 %) и р. Обь (обр. 125Rn: 5Б=-123,3 9%; 5180=-16,6 %). Эти воды имеют наиболее легкий изотопный состав кислорода и водорода, что может свидетельствовать о смещении акцента питания подземных вод скважины к осадкам холодного периода года [24, 37]. Второе заключение, вытекающее из полученных данных, - это активное участие подземных вод в питании р. Оби на данном участке, что можно увидеть из прямой смешения, представленной на рисунке стрелкой, соединяющей изотопный состав вод обр. 126Ял, р. Обь в п. Седова Заимка и р. Обь в Заельцовском районе г. Новосибирска (согласно данным работы [23], 5Б= -121,4 % и 5180=-16,4 %).
Для пробы 126Яп наблюдается существенный кислородный сдвиг (+0,7 % относительно GMWL, или +0,9 % относительно ЬМЖЬ 2020). Наиболее вероятным объяснением этого факта представляется изотопный обмен кислородом вод с окружающими изотопно-тяжелыми породами питающего водоносного горизонта [23, 38]. Отметим, что для других подземных вод (образцы 138 и 139 Rn) такого эффекта не наблюдается, что, по-видимому, обусловлено отсутствием пород, способных к изотопному обмену кислородом, в контакте с водами этих скважин. При этом насыщенность вод радоном для глубоких скважин закономерно увеличивается: 150 и 201 Бк/дм3 для обр. 126 и 138 против 14 Бк/дм3 для обр. 139.
Интересно также сравнить изученные в настоящей работе радоновые воды с другими проявлениями, ранее исследованными авторами: Инские источники [23] и Новобибеевское [24]. Большинство исследованных в настоящей работе вод поверхностные. Их изотопный состав довольно близок к таковому для поверхностных вод вблизи Инских источников (5Б—120 %; 5180~-16 %) и водам р. Ояш (50—119 %;' 5180=-15,2 %). При этом перемещение с севера Новосибирской области на юг приводит к постепенному обеднению вод тяжелыми изотопами, что также было продемонстрировано в работе [39]. Радоновые воды Инских источников (5Б—127 %; 5 0—17 %), Ново-беевского проявления (5Б~-127 %; 5180~-17 %) и Седовой Заимки (5Б=-126,3 %; 5180=-16,3 %) имеют почти идентичный изотопный состав, несмотря на достаточно большую территориальную отдаленность этих объектов. На текущий момент довольно сложно однозначно указать причину такого сходства, но, вероятно, оно указывает на очень близкие условия формирования растворителя таких вод (то есть самой воды), поскольку сомнительно предполагать для них питание из одного водоносного горизонта.
Исследованные воды имеют неширокое распределение изотопного состава МС (от -13,6 до -5,2 %). Такие значения характерны для смешанного карбонат-силикатного выветривания пород с участием биогенной водорастворенной углекислоты [24, 39]. Этот тезис также подтверждает и содержание ИС - от 2,2 до 7,3 ммоль/л, что существенно превышает естественную концентрацию углекислоты в водах (0,010,08 ммоль/дм3) [39-41] при исключительном питании атмосферной углекислотой. С увеличением содержания СГС в водах значения 513С становятся в целом все более насыщенными изотопом 13С (исключения составляют реки Пашенка и Обь) (рис. 4, б). Это может являться следствием постепенного насыщения вод тяжелой диффузионной углекислотой, наследующей изотопный состав атмосферного С02 [23, 40], либо протеканием процессов выветривания изотопно-тяжелых карбонатных пород с увеличением содержания углекислоты в водах. Так, авторы работы [23] указывают, что изотопный состав карбонатного материала в водовмещающих породах Инских источников 513С~-2,9 %.
Интересно отметить различие в содержании ШС в исследованных водах. Важную роль, по-видимому, играют такие факторы, как протяженность водного пути, количество притоков и площадь водосбора. В частности, из полученных данных видно, что для мелких рек Шатуниха, Ключевая, Пашенка, Безымянная и Смородинка (рис. 4, б), имеющих минимальные из представленных рек площади водосбора и протяженности, содержание ИС составляет от 4 до 5 ммоль/дм3. Для большей р. Бибиха концентрация МС уже приближается к 6 ммоль/дм3, а для наибольшей из притоков Оби реки Барлак (включающей Малый и Большой Барлак) содержание углекислоты максимальное и составляет 6-7 ммоль/дм3. При этом следует отметить, что наименьшая концентрация ИС характерна для вод р. Обь, что, по-видимому,
№ пробы sample no 513Cvpdb 1 ÔDVSMOW | Ô18OVSMOW sum DIC, ммоль/дм3 mmol/dm3 SO42-HCO3-
%0
121Rn -10,2 -117,8 -16,1 5,94 0,020
122Rn -12,0 -117,3 -15,7 5,90 0,014
123Rn -13,1 -117,1 -15,9 4,43 0,022
124Rn -13,6 -113,6 -15,4 4,36 0,017
125Rn -8,3 -123,3 -16,6 2,20 0,087
127Rn -13,6 -119,2 -16,2 4,41 0,023
128Rn -13,3 -116,2 -15,7 4,30 0,019
129Rn -12,9 -119,8 -16,3 4,71 0,021
130Rn -12,7 -118,9 -16,4 5,02 0,018
131Rn -10,4 -116,8 -16,0 6,15 0,010
132Rn -9,0 -121,0 -16,6 7,34 0,024
133Rn -5,2 -111,0 -14,1 3,86 0,305
126Rn -9,9 -126,3 -16,3 5,42 0,033
138Rn -9,7 -121,1 -16,6 6,36 0,026
139Rn -6,9 -122,4 -16,8 7,22 0,052
обусловлено большим объемом ее водного потока в сравнении с притоками, и вероятным участием в ее питании подземных вод с низким содержанием уг-
лекислоты. Изучение этого вопроса требует дальнейших исследований и на текущий момент носит характер заметки.
4 6
сумма DTC, ммоль/дм1
Рис. 4. Изотопный состав кислорода и водорода изученных вод относительно GMWL [35] и локальных линий метеорных вод [36] (а) зависимость изотопного состава углерода от концентрации DIC в водах проявления Седова Заимка (б). Условные обозначения - на рис. 1, б Рис. 4. Isotope composition of oxygen and hydrogen in the studied waters with respect to GWML [35] and local lines of meteoric waters [36] (а); the isotope composition of carbon depending on the concentration of DIC in waters (b). For designations, see Fig. 1
Выводы
1. Открыто проявление радоновых вод Седова Заимка. Подземные воды отличаются НС03 Mg-Na-Ca состав с минерализации 364-581 мг/дм3 и концентрацией Si 4,34-30,84 мг/дм3. Характеризуются как восстановительной (ЕЬ -40,2 мВ), так и окислительной обстановкой (ЕЬ +28,4 мВ), рН 7,5-7,6 и О2раств. 2,99-5,24 мг/дм3. Главной ролью в формировании радоновых вод на изучаемой территории является взаимодействие в системе вода-порода, что подтверждается геохимическими коэффициентами
(Са/№77,17^/№15,34>Са^„,42>Са^б,б3^04/а4,о ^^а/гСЬд^^^^^а^о,^) и высокими содержаниями в подземных водах Fe, Мп, Zn, W. А также повышенной миграционной способностью в растворе Sr, Si, Мп, Ва, Cs и и.
2. Изученные воды относятся к классам безрадоновых и умеренно радоновых ( кп 13-428 Бк/дм3). Воды обогащены (мг/дм3): 238и от 3 91 •Ю-4 до 6,39-10-4, 2321Ъ от 6,02-10-6 до 2,37-10 Уранизо-топное отношение (у) 234и/238и составляет 5,75 при активности изотопов урана (мБк/дм ): и (115±7), 238и (20±2), что указывает на неглубокую циркуляцию изученных вод. Сумма тяжелых редкоземельных элементов в подземных водах составляет 3,75-10-7-3,27-10-6 мг/дм3, а легких 4,96-10-6-1,82-10-5, что указывает на присутствие в системе вода-порода минералов-концентраторов ЛРЗЭ. Выявлена положительная корреляция сум-
мы РЗЭ от Eh и pH, что может указывать на существенную роль в питании речных вод подземными. Изотопный состав радоновых вод (от -126,3 до -121,1 % для 5D и от -16,8 до -16,3 % для 5180) указывает на их метеорно-инфильтрационное происхождение. Сравнительный анализ изотопного состава радоновых вод с проявлениями Инские источники и Новобибеевское указывает на близкие условия их формирования. - 4. Исследованные воды имеют неширокое распределение изотопного состава DIC (от -13,6 до -8,3 %). Такие значения характерны для смешанного карбонат-силикатного выветривания пород с участием биогенной водорастворенной углекислоты. С увеличением содержания DIC в водах значения 513C становятся в целом все более насыщенными изотопом 13С, что обусловлено более интенсивным выветриванием карбонатного материала водами, а также большей составляющей диффузионной почвенной углекислоты в составе DIC. Содержание DIC (от 2,2 до 7,3 ммоль/дм3) в изученных водах определяется протяженностью рек, площадями их водосбора.
Полевые и аналитические работы по изучению химического состава природных вод выполнены при финансовой поддержке проектов Министерства науки и высшего образования РФ №>№> FWZZ-2022-0014, FSWW-0022-2020, аналитические работы по исследованию геохимических особенностей водовмещающих горных пород и изотопного состава водорода, кислорода вод и DIC - при поддержке проекта № 22-17-20029 Российского научного фонда и Правительства Новосибирской области.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Долгушин А.П., Царук И.И. Урановорудный потенциал Центрально-Сибирского региона // Разведка и охрана недр. -2015. - № 10. - С. 28-34.
Царук И.И., Дундуков Н.Н. Основные вехи создания минерально-сырьевой базы урана России и Ближнего Зарубежья // Разведка и охрана недр. - 2015. - № 10. - С. 3-17.
Уран российских недр / Г. А. Машковцев, А.К. Константинов,
A.К. Мигута, М.В. Шумилин, В.Н. Щеточкин. - М.: ВИМС, 2010. - 850 с.
Геологическое строение и полезные ископаемые Западной Сибири. Т. II. Полезные ископаемые / Ю.Н. Вараксин,
B.Г. Свиридов, Н.А. Росляков, А.Т. Афанасьев, Г.А. Вавили-хин, И.П. Васильев, В.И. Виниченко, А.Н. Леонов, А.И. Ма-рус, Л.С. Михантьева, Г.В. Нестеренко, Г.Л. Самсонов,
З.Я. Сердюк. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1998. - 254 с.
5. Вериго Е.К., Быкова В.В., Гусев В.К. Заельцовское месторождение радоновых вод (Новосибирское Приобье) // Новые данные по геологии и полезным ископаемым Западной Сибири. -1979. - Т. 14. - С. 47-51.
6. Гусев В.К., Вериго Е.К. Радоновые воды Колывань-Томской складчатой зоны, их использование и охрана. Изменение природных условий под влиянием деятельности человека. - Новосибирск: Изд-во «Наука», Сибирское отделение, 1984. -С. 99-107.
7. Посохов Е.В., Толстихин Н.И. Минеральные воды (лечебные, промышленные, энергетические). - М.: Изд-во «Недра», 1977. - 240 с.
8. Росляков Н.А., Жмодик С.М., Пахомов В.Г. Естественные радионуклиды в геологической среде Новосибирской области // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Материалы IV Международной конференции. -Томск, 4-8 июня 2013. - Томск: Томский политехнический университет, 2013. - С. 461-464.
9. Groundwater chemistry and radon-222 distribution in Jerba Island, Tunisia / F. Telahigue, B. Agoubi, F. Souid, A. Kharroubi // Journal of Environmental Radioactivity. - 2018. - V. 182. - P. 74-84.
10. Sherif M.I., Sturchioa N.C. Radionuclide geochemistry of groundwater in the Eastern Desert, Egypt // Applied Geochemistry. - 2018. - V. 93. - P. 69-80.
11. Radon in the groundwater in the Amman-Zarqa Basin and related environments in Jordan / P. Bhattacharya, M.M. Abu-Khadera, A.T. Shawaqfeh, Z. Naddaf, J.P. Maity // Groundwater for Sustainable Development. - 2018. - V. 7. - P. 73-81.
12. Amiri V., Nakhaei M., Lak R. Using radon-222 and radium-226 isotopes to deduce the functioning of a coastal aquifer adjacent to a hypersaline lake in NW Iran // Journal of Asian Earth Sciences. -2017. - V. 147. - P. 128-147.
13. Radiological studies in the hot spring region of Mahallat, central Iran / M. Beitollahi, M. Ghiassi-Nejad, A. Esmaeli, R. Dunker // Radiation Protection Dosimetry. - 2007. - V. 123 (4). - P. 505-508.
14. Correlations between radium and radon occurrence and hydrogeochemical features for various geothermal aquifers in northwestern Romania / C.A. Roba, D. Nita, C. Cosma, V. Codrea, S. Olah // Geothermics. - 2012. - V. 42. - P. 32-46.
15. Contribution of 222Rn bearing water to indoor radon and indoor air quality assessment in hot spring hotels of Guangdong, China / G. Song, X. Wang, D. Chen, Y. Chen // Journal of Environmental Radioactivity. - 2011. - V. 102 (4). - P. 400-406.
16. Annual effective dose assessment of radon in drinking water from abandoned tin and Cassiterite mining site in Oyun, Kwara State, Nigeria / M.M. Orosun, B.T. Ajibola, E.O. Ehinlafa, K.A. Issah, N.B. Salawu, D.S. Ishaya, K.K. Ochommadu, D.A. Adewuyi // Pollution. - 2022. - V. 8. - Iss. 1. - P. 181-192.
17. Rahimi M., Asadi M.A.A., Jabari K.L. Radon concentration in groundwater, its relation with geological structure and some physicochemical parameters of Zarand in Iran // Applied Radiation and Isotopes. - 2022. - V. 185. - 110223.
18. Murgulet D., Lopez C.V., Douglas A.R. Radioactive and stable isotopes reveal variations in nearshore submarine groundwater discharge composition and magnitude across low inflow northwestern Gulf of Mexico estuaries // Science of the Total Environment. - 2022. - V. 8231. - № 153814.
19. Ku9ukonder E., Gumbur S. Radon gas measurement in water samples in Kahramanmaras province of Turkey // Water, Air, and Soil Pollution. - 2022. - V. 233. - Iss. 6. - № 175.
20. Haroon H., Muhammad S. Spatial distribution of radon concentrations in groundwater and annual exposure doses in Mirpur District Pakistan // Groundwater for Sustainable Development. - 2022. - V. 17. - № 100734.
21. Новиков Д.А., Сухорукова А.Ф., Корнеева Т.В. Гидрогеология и гидрогеохимия Заельцовско-Мочищенского проявления радоновых вод (юг Западной Сибири) // Геодинамика и текто-нофизика. - 2018. - Т. 9 - № 4. - С. 1255-1274.
22. Hydrogeological conditions and hydrogeochemistry of radon waters in the Zaeltsovsky-Mochishche zone of Novosibirsk, Russia / D.A. Novikov, F.F. Dultsev, R. Kamenova-Totzeva, T.V. Korneeva // Environmental Earth Sciences. - 2021. - V. 80. -№ 216.
23. Изотопно-геохимические особенности проявления слаборадоновых вод «Инские источники» (юг Западной Сибири) / Д.А. Новиков, Ю.Г. Копылова, Л.Г. Вакуленко, А.Ф. Сухорукова, А.Н. Пыряев, А.А. Максимова, Ф.Ф. Дульцев, А.В. Черных // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2021. - Т. 332. - № 3. - С. 135-145.
24. Первые результаты комплексных изотопно-гидрогеохимических исследований Новобибеевского проявления радоновых вод / Д.А. Новиков, Ф.Ф. Дульцев, А. А. Максимова, А.Н. Пыряев, А.Н. Фаге, А.А. Хващевская, А.С. Деркачев, А.В. Черных // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2022. - Т. 333. - № 1. - С. 57-72.
25. Гидрогеология и гидрогеохимия месторождения радоновых вод «Каменское» (г. Новосибирск) / Д.А. Новиков, А.Ф. Сухорукова, Т.В. Корнеева, Р.М. Каменова-Тоцева, А.А. Максимова, А.С. Деркачев, Ф.Ф. Дульцев, А.В. Черных // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2021. - Т. 332. - № 4. - С. 192-208.
26. Monitoring of radionuclides in the natural waters of Novosibirsk, Russia / D.A. Novikov, F.F. Dultsev, A.F. Sukhorukova, A.A. Maksimova, A.V. Chernykh, A.S. Derkachyov // Groundwater for Sustainable Development. - 2021. - V. 15. -P. 1-8.
27. Epstein S., Mayeda T. Variation of O 18 content of waters from natural sources // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 1953. -V. 4 (5). - P. 213-224.
28. Nelson S.T. A simple, practical methodology for routine VSMOW/SLAP normalization of water samples analysed by continuous flow methods // Rapid Communications in Mass Spectrometry. - 2000. - V. 4. - P. 1044-1046.
29. Carbon isotope signature of dissolved inorganic carbon (DIC) in precipitation and atmospheric CO2 / M. Gorka, P.E. Sauer, D. Lewicka-Szczebak, M.-O. Jedrysek // Environmental Pollution. - 2011. - V. 159. - P. 294-301.
30. Correction algorithm for online continuous flow 813C and 818O carbonate and cellulose stable isotope analyses / M.N. Evans, K.J. Selmer, B.T. Breeden III, A.S. Lopatka, R.E. Plummer // Geochem. Geophys. Geosyst. - 2016. - V.17. - P. 3580-3588.
31. International Atomic Energy Agency. URL: https://nucleus. iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages/Stable-Isotopes.aspx (дата обращения: 15.05.2022).
32. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. изд. 2-е. - М.: Высшая школа, 1975. - 342 с.
33. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Серия Алтае-Саянская. Лист N-44 - Новосибирск. Объяснительная записка / Г.А. Бабин, А.И. Черных, А.Г. Головина, С.В. Жигалов, С.С. Долгушин, Е.В. Ветров, Т.В. Кораблева, Н.А. Бодина, Н.А. Светлова, Г.С. Федосеев, А.П. Хилько, В.А. Епифанов, Ю.И. Лоскутов, И.Ю. Лоскутов, М.В. Михаревич, Е.А. Пихутин. -СПб.: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2015. - 392 с.
34. Геологическая карта СССР. Первое поколение. Кулундинско-Барабинская серия, масштаб: 1:200000 / под ред. С.Б. Шацкого. -Новосибирск: Новосибирское территориальное геологическое управление, 1970.
35. Craig H. Isotopic variations in meteoric waters // Science. -1961. - V. 133. - P. 1702-1703.
36. IAEA Nucleus for Nuclear Knowledge and Information. URL: https://nucleus.iaea.org/wiser/index.aspx (дата обращения: 15.05.2022).
37. Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы земли. - М.: Изд-во «Научный мир», 2009. - 632 с.
38. Aydin H., Karaku§ H., Mutlu H. Hydrogeochemistry of geothermal waters in eastern Turkey: Geochemical and isotopic constraints on water-rock interaction // Journal of Volcanology and Geothermal Research. - 2020. - V. 390. - Article no. 106708.
39. Изотопный состав (Н, О и С) природных вод Новосибирской городской агломерации / Д.А. Новиков, А.Н. Пыряев, Ф.Ф. Дульцев, А.В. Черных, А.Ф. Сухорукова, А.С. Деркачев, А.А. Максимова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь - Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология: Материалы XVII международной научной конференции. - Новосибирск, 19-21 мая 2021. - Новосибирск: ИНГГ СО РАН, 2021. - Т. 2. - № 1. - С. 149-159.
40. Das A., Krishnaswami S., Bhattacharya S.K. Carbon isotope ratio of dissolved inorganic carbon (DIC) in rivers draining the Deccan Traps, India: sources of DIC and their magnitudes // Earth and Planetary Science Letters. - 2005. - V. 236. - P. 419-429.
41. Первые изотопно-гидрогеохимические данные по природным водам юго-восточного склона кряжа Чекановского / Д.А. Новиков, А. А. Максимова, А.Н. Пыряев, П. А. Ян // Известия
Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2020. - Т. 331. - № 11. - С. 157-167.
Поступила 10.06.2022 г. Прошла рецензирование 06.07.2022 г.
Информация об авторах
Новиков Д.А., кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; доцент кафедры геологии месторождений нефти и газа и кафедры общей и региональной геологии Новосибирского национального исследовательского государственного университета.
Пыряев А.Н., кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории изотопно-аналитической геохимии Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН; ассистент кафедры химической и биологической физики Новосибирского национального исследовательского государственного университета. Максимова А.А., инженер лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН; ассистент кафедры минералогии и геохимии Новосибирского национального исследовательского университета.
Сухорукова А.Ф., кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; доцент кафедры общей и региональной геологии Новосибирского национального исследовательского государственного университета.
Дульцев Ф.Ф., научный сотрудник лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН.
Деркачев А.С., студент, Новосибирский национальный исследовательский государственный университет. Черных А.В., научный сотрудник лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН.
Хващевская А.А., кандидат геолого-минералогических наук, доцент, заведующая проблемной научно-исследовательской лабораторией гидрогеохимии, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
UDC 551.464.3 (1-924.71)
DISCOVERY OF LOW-RADON WATERS - SEDOVA ZAIMKA
Dmitry A. Novikov1'2, Fedor F. Dultsev1,
NovikovDA@ipgg.sbras.ru DultsevFF@ipgg.sbras.ru
Aleksandr N. Pyrayev32, Anton S. Derkachev2,
pyrayev@igm.nsc.ru a.derkachev@g.nsu.ru
Anastasia A. Maksimova21, Anatoliy V. Chernykh1,
rock.nastaya64@gmail.com ChernykhAV@ipgg.sbras.ru
Anna F. Sukhorukova12, Albina A. Khvachshevskaya4,
SukhorukovaAF@ipgg.sbras.ru unpc_voda@mail.ru
1 Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3/6, Koptyug avenue, Novosibirsk, 630090, Russia.
2 Novosibirsk State University,
1, Pirogov street, Novosibirsk, 630090, Russia.
3 Institute of Geology and Mineralogy SB RAS,
3, Koptyug avenue, Novosibirsk, 630090, Russia.
4 National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050, Russia.
Relevance of the investigation is in obtaining actual isotope-geochemical data on natural waters and water-bearing rocks in the Sedova Zaimka, an occurrence of radon waters.
Objective: to study the features of chemical composition of natural waters and water-bearing rocks, and to obtain the first data on the activity of 222Rn and on the isotope composition: 5D, 518O, 513C, 234U, 238U, 226Ra and 228Ra.
Methods. Laboratory studies of the chemical composition by means of titration, ion chromatography, mass spectrometry with inductively coupled plasma were carried out at the Research Laboratory of Hydrogeochemistry at the School of Earth Sciences and Engineering of the Tomsk Polytechnic University. Determination of the set of parameters 5D, 518O, 513Cdic in waters and dissolved inorganic carbon was carried out at the Shared Equipment Center if the IGM SB RAS with the help of Isotope Ratio Mass Spectrometer FinniganTM MAT 253, equipped with sample preparation attachments H/Device (to determine 5D) and GasBench II (to determine 518O and 513Cdic). 222Rn concentration in waters was determined using the Alfarad Plyus instrument in the Laboratory of Hydrogeology of Sedimentary Basins of Siberia at the IPGG SB RAS. The data on the total p-activity of waters, as well as on the activities of 234U, 238U, 226Ra and 228Ra, were obtained after preliminary radiochemical sample preparation using an alpha spectrometer ALPHA-ENSEMBLE-8 (Ametek, ORTEC, USA); gamma-spectrometric system arranged on the basis of well coaxial HPGe semiconductor detector with low-background cryostat EGPC 192-P21/SHF 00-30A-CLF-FA (EURISYS MEASURES, France) and alpha-beta radiometer UMF-2000 with a silicon detector (Doza, Russia) to measure low activities. Data separation into homogeneous geochemical sets was performed with the help of Ca/Na, Ca/Mg, Ca/Si, Mg/Si, Na/Si coefficients. To determine the extent of element concentrating in natural waters, the coefficients of concentration Kk=m and water
nx
migration (according to A. I. Perelman) Kx1= were calculated.
Results. Radon water occurrence at Sedova Zaimka was discovered, and isotope-geochemical investigation was carried out. Radon waters (with 222Rn activity up to 428 Bq/dm3) are mainly characterized by HCO3 Mg-Na-Ca composition with TDS 158 to 581 mg/dm3 and silicon content 4,34 to 30,84 mg/dm3. The geochemical parameters of the environment vary from reductive to oxidative settings with Eh from -40,2 to +28,4 mV; pH from 7,5 to 7,6 and O2dissoved from 2,99 to 5,24 mg/dm3. Geochemical coefficients are equal to: Ca/Na 77,17; Ca/Mg 6,63; Ca/Si 11,42; Mg/Si 1,48; Na/Si 0,92; Si/Na 15,34; rNa/rCl 2,12; SO4/Cl 4,02, which is a regular indication of the formation of radon water composition in the embedding rocks of mainly aluminosilicate composition. Among trace components, the highest average content is characteristic of (mg/dm3): Si=17,77; Fe=1,18; Mn=0,16; Zn=0,020 and W=0,0036. No significant coefficients of component concentrations were revealed. Strong migration ability in solution is exhibited by Sr, medium - by Si, Mn, Ba, Cs and U. The total p-activity of the waters is 32 mBq/dm3. The concentrations of natural radionuclides vary (mg/dm3): 238U from 3,91-10r4 to 6,39-10~4; 232Th from 6,02-10~6 to 2,37-10~5 and 226Ra from 6,66-10-11 to 1,09-10-10. The 232Th/238U ratio in the waters varies from 1,02-10~2 to 3,71-10~2, which is a consequence of the oxidative geochemical setting, in which thorium does not migrate. The uranium isotope ratio (y) 234U/238U is 5,75, with the activity of uranium isotopes (mBq/dm3): 234U (115± 7), 238U (20±2), which points to not very deep circulation of the studied waters. The activity of radium isotopes in the waters is 70±7 mBq/dm3 for 226Ra and 51,8±3,9 mBq/dm3 for 228Ra. The 226Ra/228Ra ratio in HCO3 Mg-Na-Ca radon waters is equal to 1,35. The isotope composition of radon waters (from -126,3 to-121,1 %o for 5D and from-16,8 to-16,3 %o for 518O) points to their meteoric infiltration origin. The isotope composition of carbon 513Cdic points to the biogenic origin of carbon dioxide and its participation in carbonate-silicate weathering of the rocks.
Key words:
Radon waters, stable isotopes, radionuclides, water genesis, granites, new radon water occurrence Sedova Zaimka, West Siberia.
Field and analytical work on the study of the chemical composition of natural waters was carried out with the financial support of projects of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation no. FWZZ-2022-0014, FSWW-0022-2020, analytical work on the study of the geochemical features of water-bearing rocks and the isotopic composition of hydrogen, oxygen of water and DIC - with the support of the project No. 22-17-20029 of the Russian Science Foundation and the Government of the Novosibirsk Region.
REFERENCES
1. Dolgushin A.P., Tsaruk I.I. Uranium ore potential of the Central Siberian region. Exploration and protection of mineral resources, 2015, no. 10, pp. 28-34. In Rus.
2. Tsaruk I.I., Dundukov N.N. The main milestones of creating the mineral resource base of uranium in Russia and the Near Abroad. Exploration and protection of mineral resources, 2015, no. 10, pp. 3-17. In Rus.
3. Mashkovtsev G.A., Konstantinov A.K., Miguta A.K., Shumilin M.V., Shchetochkin V.N. Uran rossiyskikh nedr [Uranium of Russian subsurface]. Moscow, VIMS Publ., 2010. 850 p.
4. Varaksin Yu.N., Sviridov V.G., Roslyakov N.A., Afanasiev A.T., Vavilikhin G.A., Vasiliev I.P., Vinichenko V.I., Leonov A.N., Marus A.I., Mikhantyeva L.S., Nesterenko G.V., Samsonov G.L., Serdyuk Z.Ya. Geologicheskoe stroenie i poleznye iskopayemye Zapadnoy Sibiri. T. II. Poleznye iskopayemye [Geological structure and minerals of Western Siberia. Vol. II. Minerals]. Novosibirsk, SO RAN, NITs OIGGM Publ. House, 1998. 254 p.
5. Verigo E.K., Bykova V.V., Gusev V.K. Zaeltsovskoe mestorozde-nie radonovykh vod (Novosibirskoe Priobye) [Zaeltsovsky deposit of radon waters (Novosibirsk Priobye)]. New data on geology and minerals of Western Siberia, 1979, Iss. 14, pp. 47-51.
6. Gusev V.K., Verigo E.K. Radonovye vody Kolyvan-Tomskoy skladchatoy zony, ikh ispolzovanie i okhrana [Radon waters of the Kolyvan-Tomsk fold zone, their use and protection]. Izmemenue prirodnykh uslovy pod vliyaniem deyatelnosti cheloveka [Change in natural conditions under the influence of human activity]. No-vosibiesk, Nauka Publ., 1984. pp. 99-107.
7. Posokhov E.V, Tolstikhin N.I. Mineralnye vody (lechebnye, promyshlennye, energeticheskie) [Mineral waters (healing, industrial, energy)]. Moscow, Nedra Publ., 1977. 240 p.
8. Roslyakov N.A., Zhmodik S.M., Pakhomov V.G. Prirodnye radi-onuklidy v geologicheskoy srede Novosibirskoy oblasti [Natural radionuclides in the geological environment of the Novosibirsk region]. Radioaktivnost i radioaktivnye elementy v srede cheloveka. Materialy IV Mezhdunarodnoy konferentsii [Radioactivity and radioactive elements in the human environment. Materials of the IV International Conference]. Tomsk, June 4-8, 2013. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ. house, 2013. pp. 461-464.
9. Telahigue F., Agoubi B., Souid F., Kharroubi A. Groundwater chemistry and radon-222 distribution in Jerba Island, Tunisia. Journal of Environmental Radioactivity, 2018, vol. 182, pp. 74-84.
10. Sherif M.I., Sturchioa N.C. Radionuclide geochemistry of groundwater in the Eastern Desert, Egypt. Applied Geochemistry, 2018, vol. 93, pp. 69-80.
11. Abu-Khadera M.M., Shawaqfeh A.T., Naddaf Z., Maity J.P., Bhattacharya P. Radon in the groundwater in the Amman-Zarqa Basin and related environments in Jordan. Groundwater for Sustainable Development, 2018, vol. 7, pp. 73-81.
12. Amiri V., Nakhaei M., Lak R. Using radon-222 and radium-226 isotopes to deduce the functioning of a coastal aquifer adjacent to a hypersaline lake in NW Iran. Journal of Asian Earth Sciences, 2017, vol. 147, pp. 128-147.
13. Beitollahi M., Ghiassi-Nejad M., Esmaeli A., Dunker R. Radiological studies in the hot spring region of Mahallat, central Iran. Radiation Protection Dosimetry, 2007, vol. 123 (4), pp. 505-508.
14. Roba C.A., Nita D., Cosma C., Codrea V., Olah S. Correlations between radium and radon occurrence and hydrogeochemical features for various geothermal aquifers in northwestern Romania. Geothermics, 2012, vol. 42, pp. 32-46.
15. Song G., Wang X., Chen D., Chen Y. Contribution of 222Rn bearing water to indoor radon and indoor air quality assessment in hot spring hotels of Guangdong, China. Journal of Environmental Radioactivity, 2011, vol. 102 (4), pp. 400-406.
16. Orosun M.M., Ajibola B.T., Ehinlafa E.O., Issah K.A., Salawu N.B., Ishaya D.S., Ochommadu K.K., Adewuyi D.A. Annual effective dose assessment of radon in drinking water from abandoned tin
and Cassiterite mining site in Oyun, Kwara State, Nigeria. Pollution, 2022, vol. 8, Iss. 1, pp. 181-192.
17. Rahimi M., Asadi M.A.A., Jabari K.L. Radon concentration in groundwater, its relation with geological structure and some phys-icochemical parameters of Zarand in Iran. Applied Radiation and Isotopes, 2022, vol. 185, 110223.
18. Murgulet D., Lopez C.V., Douglas A.R. Radioactive and stable isotopes reveal variations in nearshore submarine groundwater discharge composition and magnitude across low inflow northwestern Gulf of Mexico estuaries. Science of the Total Environment, 2022, vol. 8231, no. 153814.
19. Ku9ukonder E., Gumbur S. Radon gas measurement in water samples in Kahramanmaras province of Turkey. Water, Air, and Soil Pollution, 2022, vol. 233, Iss. 6, no. 175.
20. Haroon H., Muhammad S. Spatial distribution of radon concentrations in groundwater and annual exposure doses in Mirpur District Pakistan. Groundwater for Sustainable Development, 2022, vol. 17, no. 100734.
21. Novikov D.A., Sukhorukova A.F., Korneeva T.V. Hydrogeology and hydrogeochemistry of the Zaeltsovsko-Mochishchensky zone of radon waters in the southern West Siberia. Geodynamics & Tec-tonophysics, 2018, vol. 9 (4), pp. 1255-1274. In Rus.
22. Novikov D.A., Dultsev F.F., Kamenova-Totzeva R., Korneeva T.V. Hydrogeological conditions and hydrogeochemistry of radon waters in the Zaeltsovsky-Mochishche zone of Novosibirsk, Russia. Environmental Earth Sciences, 2021, vol. 80, no. 216.
23. Novikov D.A., Kopylova Yu.G., Vakulenko L.G., Sukhorukova A.F., Pyryaev A.N., Maksimova A.A., Dultsev F.F., Chernykh A.V. Isotope geochemical features of occurrence of low-radon waters «Inskie springs» (south-western Siberia). Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no. 3, pp. 135-145. In Rus.
24. Novikov D.A., Dultsev F.F., Maksimova A.A., Pyryaev A.N., Fage A.N., Khvashchevskaya A. A., Derkachev A.S., Chernykh A.V. Initial results of the integrated isotope-hydrogeochemical studies of the Novobibeevo occurrence of radon-rich waters. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2022, vol. 333, no. 1, pp. 57-72. In Rus.
25. Novikov D.A., Sukhorukova A.F., Korneeva T.V., Kamenova-Totzeva R.M., Maksimova A.A., Derkachev A.S., Dultsev F.F., Chernykh A.V. Hydrogeology and hydrogeochemistry of the «Kamenskoe» field of radon-rich waters (Novosibirsk). Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no 4, pp. 192-208. In Rus.
26. Novikov D.A., Dultsev F.F., Sukhorukova A.F., Maksimova A.A., Chernykh A.V., Derkachyov A.S. Monitoring of radionuclides in the natural waters of Novosibirsk, Russia. Groundwater for Sustainable Development, 2021, vol. 15, pp. 1-8.
27. Epstein S., Mayeda T. Variation of O 18 content of waters from natural sources. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1953, vol. 4 (5), pp. 213-224.
28. Nelson S.T. A simple, practical methodology for routine VSMOW/SLAP normalization of water samples analysed by continuous flow methods. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2000, vol. 4, pp. 1044-1046.
29. Gorka M., Sauer P.E., Lewicka-Szczebak D., Jedrysek M.-O. Carbon isotope signature of dissolved inorganic carbon (DIC) in precipitation and atmospheric CO2. Environmental Pollution, 2011, vol. 159, pp. 294-301.
30. Evans M.N., Selmer K.J., Breeden III B.T., Lopatka A.S., Plummer R.E. Correction algorithm for online continuous flow S13C and 818O carbonate and cellulose stable isotope analyses. Geo-chem. Geophys. Geosyst, 2016, vol. 17, pp. 3580-3588.
31. International Atomic Energy Agency. Available at: https://nucleus. iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages/Stable-Isotopes.aspx (accessed: 15 May 2022).
32. Perelman A.I. Geokhimiya landshafta [Landscape geochemistry]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1975. 342 p.
33. Babin G.A. Chernykh A.I., Golovina A.G., Zhigalov S.V., Dol-gushin S.S., Vetrov E.V., Korableva T.V., Bodina N.A., Svetlova N.A., Fedoseev G .S., Khilko A.P., Epifanov V.A., Loskutov Yu.I., Loskutov I.Yu., Mikharevich M.V., Pikhutin E.A. Gosudarstven-naya geologicheskaya karta Rossiyskoy Federatsii. Masshtab 1:1000000 (tretye pokolenie). Seriya Altaye-Sayanskaya. List N-44 -Novosibirsk. Obyasnitelnaya zapiska [State geological map of the Russian Federation. Scale 1:1000000 (third generation). Altai-Sayan series. Sheet N-44 - Novosibirsk. Explanatory letter]. St. Petersburg, Cartographic factory VSEGEI, 2015. 392 p.
34. Geologicheskauya karta SSSR. Pervoe pokolenie. Kulundinsko-Barabinskaya seriya, masshtab 1:200000 [Geological map of the USSR. First generation. Kulunda-Barabinsk series, scale: 1:200000]. Ed. by S.B. Shatsky. Novosibirsk, Novosibirsk Territorial Geological Administration Publ., 1970.
35. Craig H. Isotopic variations in meteoric waters. Science, 1961, vol. 133, pp. 1702-1703.
36. IAEA Nucleus for Nuclear Knowledge and Information. Available at: https://nucleus.iaea.org/wiser/index.aspx (accessed: 15 May 2022).
37. Ferronsky V.I., Polyakov V.A. Izotopiya gidrosfery [Isotopy of the hydrosphere]. Moscow, Nauchny mir Publ., 2009. 632 p.
38. Aydin H., Karaku§ H., Mutlu H. Hydrogeochemistry of geother-mal waters in eastern Turkey: Geochemical and isotopic constraints on water-rock interaction. Journal of Volcanology and Ge-othermal Research, 2020, vol. 390, article no. 106708.
39. Novikov D.A., Pyryaev A.N., Dultsev F.F., Chernykh A.V., Su-khorukova A.F., Derkachev A.S., Maksimova A.A. Izotopny sostav (N, O i S) prirodnykh vod Novosibirskoy gorodskoy aglomeratsii [Istopic composition (H, O and C) of natural waters of the Novosibirsk city agglomeration]. Interekspo GEO-Sibir -Nedropolzovanie. Gornoe delo. Napravleniya i tekhnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdeniy poleznykh iskopayemykh. Ekonomika. Geoekologiya. Materialy XVII mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii [Interexpo GEO-Siberia - Subsoil use. Mining. Directions and technologies for prospecting, exploration and development of mineral deposits. Economics. Geoecology. Proc. of the XVII International Scientific Conference]. Novosibirsk, May 19-21, 2021. Novosibirsk, IPGG SB RAS, 2021. Vol. 2, no. 1, pp. 149-159.
40. Das A., Krishnaswami S., Bhattacharya S.K. Carbon isotope ratio of dissolved inorganic carbon (DIC) in rivers draining the Deccan Traps, India: sources of DIC and their magnitudes. Earth and Planetary Science Letters, 2005, vol. 236, pp. 419-429.
41. Novikov D.A., Maksimova A.A., Pyryaev A.N., Yan P.A. First isotope-hydrogeochemical data on the natural waters of the southeast slope of the Chekanovsky ridge (Arctic areas of the Siberian platform). Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аs-sets Engineering, 2020, vol. 331, no. 11, pp. 157-167. In Rus.
Received: 10 June 2022.
Reviewed: 6 July 2022.
Information about the authors
Dmitry A. Novikov, Cand. Sc., head of the laboratory, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS; associate professor, Novosibirsk State University.
Aleksandr N. Pyrayev, Cand. Sc., researcher, Institute of Geology and Mineralogy SB RAS; assistant, Novosibirsk State University.
Anna F. Sukhorukova, Cand. Sc., researcher, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS; associate professor, Novosibirsk State University.
Anastasia A. Maksimova, assistant, Novosibirsk State University; engineer, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS.
Anton S. Derkachev, student, Novosibirsk State University.
Anatoliy V. Chernykh, researcher, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS. Fedor F. Dultsev, researcher, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS. Albina A. Khvacshevskaya, Cand. Sc., head of the scientific laboratory, National Research Tomsk Polytechnic University.
