Геологи выяснили, как добыча сланцевой нефти и газа делает грунтовые воды радиоактивными

Исследователи описали процесс попадания в воду радиоактивных изотопов, который сопровождает добычу сланцевой нефти и газа.  Выводы учёных описаны в двух научных статьях, опубликованных в журнале Chemical Geology группой во главе с Джошуа Лэндисом (Joshua Landis) из Дартмутского колледжа в США.

Напомним, что добыча сланцевых углеводородов бурно развивается в последние годы. Благодаря этой технологии США уже стали чистым экспортёром природного газа и в ближайшие годы планируют достичь того же статуса относительно нефти. Это притом, что государство с первым в мире размером ВВП и третьей в мире численностью населения потребляет очень много ископаемого топлива.

В общих чертах процесс выглядит так. В скважину мощными насосами закачивается смесь воды, песка и химических реактивов. Когда давление жидкости становится слишком большим, геологический пласт разрывается и сминается. Образно говоря, топливо сочится из деформированной породы, как вода из сжатой мочалки.

Однако эта технология несёт в себе экологическую угрозу. Использованные реактивы частично попадают в питьевую воду и могут вызвать проблемы со здоровьем. Кроме этого, "отработавшая своё" вода оказывается обогащена радиоактивным элементом радием.

Откуда он берётся? Это и выясняли исследователи в первой работе. Они поместили образцы сланца в воду, обогащённую солями кальция. Поясним, что закачанная под землю жидкость, путешествуя по многочисленным трещинам, неизбежно вбирает в себя эти вещества.

Как выяснили исследователи, такой раствор и извлекает радий из окружающих сланцев. При этом существует два источника опасного элемента, и они имеют разное соотношение концентраций радия-226 и радия-228. Первый изотоп относительно стабилен: его период полураспада превышает тысячу лет. Второй очень активен: для него тот же период меньше шести лет. При распаде радия излучается радиация, а также выделяется ещё один радиоактивный элемент – радон.

Первым источником опасного металла оказалась неорганическая минеральная часть сланцев. В ней один атом радия-228 приходится всего на 250 атомов радия-226. Это довольно большая концентрация для первого изотопа. Второй источник – органическая часть породы. В ней соотношение радия-228 и радия-226 составляет 1 к 10000.

Как показали эксперименты, всего за несколько часов в раствор переходит более 14% содержащегося в сланце радиоактивного элемента. Для сравнения: чистая (не обогащённая солями кальция) вода вымывает лишь менее 0,5%.

Во второй статье описана модель этого переноса для разной концентрации солей в растворе и разного количества воды, омывающей сланец. Здесь авторы использовали эксперимент, математическое моделирование и прямые измерения количества радия в грунтовых водах на месте добычи сланцевых углеводородов.

До этих исследований эксперты не были уверены, что источником радиоактивного металла являются сами сланцы. Существовала гипотеза, что дело в природных скоплениях радия в грунтовых водах, которые иногда встречаются.