СПОСОБ ИНДИКАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ Российский патент 2012 года по МПК G01V9/02 

Изобретение относится к методам изучения динамики подземных вод и основано на открытии Чердынцева В.В. и Чалова П.И. [1].

Известен способ определения динамики подземных вод путем бурения скважин и продолжительной откачкой воды из них [2].

Недостатками этого способа являются большая трудоемкость и энергоемкость работ, а также необходимость суждения о существовании связи между водоносными горизонтами только на основе косвенных показателей, т.е. понижения уровня в наблюдательных скважинах при откачке из другого горизонта.

Известен способ определения формирования, степени водообмена и генезиса подземных вод путем изучения соотношений концентраций дейтерия и кислорода-18 [3, 4].

Однако этот способ также трудоемок и требует наличия высокоточного дорогого оборудования.

Известен также способ определения водопроводимости горных пород измерением величины отношения изотопов урана ²³⁴U/²³⁸U=γ в подземных водах имеющихся скважин и вычислением по формулам [5].

Этот способ решает частную задачу при уран-изотопном моделировании.

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости и стоимости работ, а также повышение однозначности и надежности получаемых результатов.

Для достижения этой цели на площади изучаемой гидрогеологической структуры из существующих скважин, колодцев и водоемов отбирают пробы вод путем фильтрования в чистые емкости, отметив интервалы водоносных горизонтов в скважинах и колодцах, расположение их на топографической карте местности, в полевых условиях в стеклянные бутыли добавляют метилоранж для контроля кислотности среды, а также соляную кислоту до рН 1-2 (до розовой окраски раствора) для перевода урана в ионную форму. После этого для одновременного определения концентрации урана и изотопного отношения в бутыли добавляется известное количество трассера - урана-232. Затем при перемешивании в воду постепенно наливают насыщенный раствор уротропина до перехода окраски из розового в желтый цвет, т.е. до рН 4.5-5.5. Далее в обрабатываемую пробу добавляют активированный уголь для сорбирования урана из водной пробы. После отстаивания раствора и осаждения угля на дне посуды проводят декантирование осветленной части раствора и фильтрование угольного осадка на воронке Бюхнера под вакуумом, осадок сушится и отправляется в стационарную радиохимическую лабораторию.

Способ иллюстрируется полученными результатами обработки данных. На фиг.1 представлена индикаторная модель циркуляции подземных вод четвертичных отложений Рыбачинского месторождения Киргизии по данным уран-изотопной съемки. На фиг.2 - график изменения отношения величины отношения ²³⁴U/²³⁸U=γ и концентрация урана в подземных потоках по линии I-I с фиг.1. На фиг.3 - модель взаимодействия подземных вод различных горизонтов по уран-изотопным данным в районе Сюктерского участка Чебоксарского месторождения минеральных вод в разрезе.

В стационарной радиохимической лаборатории проводят очистку природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория. При этом уран вымывается из угля карбонатным раствором и собирается в колбе Бунзена. Затем соосаждением на гидроокиси железа очищают уран от других альфа-излучающих нуклидов. Уран экстрагируется трибутилфосфатом и переходит в органическую фазу. Из органической фазы уран реэкстрагируется дистиллированной водой, высушивается и растворяется соляной кислотой. Затем проводится электролитическое осаждение урана на диск из нержавеющей стали и после промывки дисцилированной водой и сушки готовый урановый препарат отправляется в альфа-спектрометрическую лабораторию, где измеряют изотопное отношение и концентрацию урана в ионизационной камере. С помощью специальной компьютерной программы регистрируются импульсы от альфа-частиц, сохраняются полученные спектры и рассчитываются отношения активностей изотопов урана ²³⁴U/²³⁸U=γ, стандартное и относительное среднеквадратичное отклонение, концентрация урана и его химический выход.

Затем строится карта распределения отношения стабильного природного индикатора - отношение альфа-активностей изотопов ²³⁴U/²³⁸U=γ, строят линии равных значений γ в горизонтальной и вертикальной плоскостях, пересекающие все изученные водоносные горизонты. По наличию или отсутствию аналогичности в пространственных изменениях в конфигурациях изолиний γ в смежных водоносных горизонтах судят о существовании или отсутствии связи между ними. При этом существование куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости показывает на наличие в этом районе месторождения минеральных вод глубинного генезиса. Прослеживание линий равных значений (где γ_Э1 и γ_Э2 - величина γ=²³⁴U/²³⁸U в центральной части источников 1 и 2, - величина γ в водах в центральной части области смешения источников 1 и 2), по водоносному горизонту определяют конфигурацию границ смежных подземных потоков и получают индикаторную модель циркуляции всех потоков по площади и разрезу водоносного горизонта и взаимосвязи вод смежных водоносных горизонтов. Составляя расчетную схему и балансовое уравнение смешивающихся источников питания:

Q=a ₁q₁+…+ a _nq_n (где Q - расход (объем) подземного потока; q₁…q_n - объемы 1-го… n-го источников питания, a ₁… a _n - доли 1-го и n-го источников питания). Пропорции смешения вод различных источников определяют по формуле

q₁/q₂=C₁(γ₁-γ_см)/C₂(γ₂-γ_см) (где q₁ и q₂ - объемы (расходы) первого и второго источников; γ₁, γ₂, γ_см - отношение активностей ²³⁴U/²³⁸U в водах первого, второго источников и смешанных водах (подземном потоке); C₁, С₂ - концентрации урана в водах первого и второго источников. По балансовому уравнению с учетом выявленных по уран-изотопным данным условий формирования ресурсов подземных вод судят о защищенности водоносного слоя от истощения.

Способ многократно апробирован в условиях Киргизии в 1978-90 гг. районов Северо-Муйского тоннеля Байкало-Амурской магистрали. Республики Татарстан, Чувашской Республики, Кировской, Самарской, Воронежской, Белгородской областей и т.п. [6].

Источники информации

1. Чердынцев В.В., Чалов П.И. Естественное разделение урана ²³⁴U и ²³⁸U // Открытия в СССР (Сборник кратких описаний открытий, внесенных в Государственный реестр СССР). М.: ЦННИПИ, 1977. С.28-31.

2. Справочное руководство гидрогеолога. Под ред. В.М.Максимова, - Л.: Недра, 1979, т.1, 2.

3. Природные изотопы гидросферы. Под ред. В.И.Ферронского, - М.: Недра, 1975.

4. Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы, - М.: Наука, 1983.

5. А.С. СССР №920607, МПК 601V 9/00, 9/02, 15.04.82, БИ №14.

6. Тихонов А.И. Неравновесный уран в условиях активного водообмена и его использование в геологии и гидрогеологии. - Чебоксары.: Изд-во Л.А. Наумова, 2009, - 456 с.

Изобретение относится к гидрогеологии и может быть использовано для изучения динамики подземных вод. Согласно заявленному способу после отбора проб из источников водоснабжения проводят добавление трассера - урана-232, очистку природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория. Далее следует электролитическое осаждение урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическое определение количества индикатора - отношение альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238, т.е. γ=²³⁴U/²³⁸U. Строят линии равных значений γ по площади и разрезу водоносного горизонта и определяют пути движения всех потоков по площади и разрезу водоносного горизонта, балансовые составляющие водоносного горизонта, по которым судят о существовании или отсутствии связи между водоносными горизонтами, а также наличии в этом районе месторождений минеральных вод глубинного генезиса. Технический результат: повышение точности результатов гидрогеологических исследований. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ индикаторного моделирования взаимосвязи водоносных горизонтов, заключающийся в отборе водных проб из водоисточников, определении количества индикатора и прослеживании его распределения по водоносному горизонту, отличающийся тем, что, с целью эффективности моделирования динамики подземных вод, добавляют в пробы трассер - уран-232, производят очистку природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория; электролитическое осаждение урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическое определение величины наиболее стабильного природного индикатора - отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238, строят линии равных значений этого индикатора по площади и разрезу водоносного горизонта, вычисляют границы распределения индикаторов в смежных источниках 1 и 2 из выражения

где γ_э1 и γ_э2 - величина γ=²³⁴U/²³⁸U в центральных частях источников 1 и 2;
- величина γ в водах в центральной части области смещения источников 1 и 2; и путем прослеживания линии равных значений по водоносному горизонту определяют конфигурацию и местоположение границ смежных подземных потоков и получают индикаторную модель циркуляции всех потоков по площади и разрезу водоносного горизонта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью определения элементов водного баланса, с помощью полученной индикаторной модели циркуляции подземных потоков выявляют все источники их питания, составляют расчетную схему и балансовое уравнение смешивающихся источников питания
Q=a₁q₁+…+a_nq_n,
где Q - расход (объем) подземного потока; q₁…q_n - объемы 1-го… n-го источников питания; a₁…a_n - доли 1-го… n-го источников питания, рассчитывают пропорции смешения вод различных источников по формуле
q₁/q₂=C₁(γ₁-γ₂)/C₂(γ₂-γ_см),
где q₁ и q₂ - объемы (расходы) первого и второго источников; γ₁, γ₂ и γ_см - отношение активностей ²³⁴U/²³⁸U в водах первого, второго источников и смешанных водах (подземном потоке); C₁, C₂ - концентрации урана в водах первого и второго источников, на основе расчетных данных определяют балансовые составляющие водоносного горизонта и судят о защищенности его от истощения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью определения взаимосвязи водоносных горизонтов, строят линии равных значений ²³⁴U/²³⁸U=γ в горизонтальной плоскости для каждого водоносного горизонта и по наличию или отсутствию аналогии пространственных изменений в конфигурациях изолиний γ при наложении полученных карт-моделей изучаемых горизонтов судят о существовании или отсутствии связи между этими водоносными горизонтами.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью поиска месторождений минеральных вод, строят линии равных значений ²³⁴U/²³⁸U=γ в вертикальной плоскости, пересекающей все изученные водоносные горизонты, и при существовании куполовидной конфигурации системы изолиний γ судят о наличии в этом районе месторождения минеральных вод глубинного генезиса.