7.3.2. Тритиевый метод

Тритиевый метод использует радиоактивный распад трития, непрерывно образующегося в верхних слоях атмосферы и попадающего на землю с атмосферными осадками в форме НТО. Период полураспада трития 12,3 года. Поэтому метод нашел применение при изучении и датировании молодых природных вод, связанных с атмосферными осадками, возраст которых не превышает 60 - 70 лет.

Источником трития является лишь атмосферная вода. Попадая в воды зоны затрудненного водообмена, тритий постепенно распадается и через 60 - 70 лет практически исчезает. Присутствие в подземных водах трития однозначно говорит об их связи с атмосферными водами. Время, прошедшее с момента поступления атмосферных вод, можно найти из формулы (7.1). Тритий

168

(Т или t) образуется в атмосфере преимущественно за счет реакции ¹⁴N (n, t) ¹²С при Е_n > 4,4 МэВ. Считают, что лишь 3 - 5% вторичных нейтронов, возникающих в атмосфере под действием космического излучения, участвует в образовании трития. По данным Г. Зюсса, скорость образования космогенного трития примерно 30 атомов/(см² · мин). Доля природного трития в атмосферой водороде крайне низка и составляет примерно 10^-18. Поэтому концентрацию трития принято выражать в специальных "тритиевых" единицах - ТЕ:

ТЕ = 1 · 10^-18 

3H

1H

 = 7,2 распада/мин = 0,12 Бк на 1 л воды.

До начала ядерных испытаний концентрация трития варьировала в пределах 0,1 - 10 ТЕ, а общий запас на Земле составлял 1,3 · 10¹⁸ Бк. Основная часть этого количества: ~ 93% - находится в гидросфере и лишь 7% - в атмосфере.

Начиная с 1952 г., когда стали проводить испытания термоядерного оружия, в атмосфере появился антропогенный, "бомбовый" тритий. Подавляющая его доля образовалась за счет реакции ядерного синтеза:

2

1

H + 

2

1

H →

3

1

H +

1

1

H + 4,0 МэВ.

До 1957 г. мощность термоядерных взрывов была невелика и они проходили на небольшой высоте. Поэтому весь бомбовый тритий был сосредоточен в тропосфере и быстро переходил с осадками в океан. С 1958 г. начали проводиться высотные взрывы мегатонной мощности, интенсивность которых достигла максимума в 1961 - 1962 гг. Эти взрывы переместили большое количество трития в стратосферный резервуар, где его запас достиг 200 кг (общий запас космогенного трития равен 1,8 кг). Концентрация ³Н в атмосферных осадках в этот период достигала 10 000 ТЕ в отдельных пунктах Земли. В настоящее время значительная часть бомбового трития распалась и по оценкам на 70-е гг. составляла в сумме 1,5 · 10²⁰ Бк.

Тритиевый метод нашел применение при изучении современных вод, а также для обнаружения связи древних вод с атмосферными.

Рассмотрим несколько примеров.

1. Исследование вод артезианских бассейнов на содержание трития позволяет четко выделить области питания бассейна современными водами. Артезианские воды палеозойского или мезозойского возраста не могут сохранить первичный тритий. Присутствие заметных концентраций трития указывает на связь древних вод с атмосферными.

169

2. Исследование отношения Т/Н в океанической воде дает возможность определить возраст слоев воды с различной глубины и установить таким образом скорость ее перемешивания. Так, обнаружено, что верхний 50-метровый слой воды Атлантического океана постепенно перемешивается за период не более 1 - 2 лет. Возраст промежуточных вод (60 - 180 м) близок к 50 годам. Глубинные воды содержали ничтожные следы Т и по данным ¹⁴С имели возраст около 600 лет. Неожиданно были обнаружены заметные концентрации трития в придонных водах Атлантического океана. Было высказано предположение, что некоторые слои поверхностных вод в высоких широтах быстро погружаются и текут к югу, не смешиваясь полностью с вышележащими "неподвижными" слоями (Вопросы геохимии..., 1965).

3. Широко используется тритий для количественной оценки процессов водообмена природных вод. С этой целью применяют разнообразные модели. Например, для определения времени водообмена в пределах отдельных подземных водосборов, представленных родниками, изливающимися на разной высоте, используют модель хорошо перемешиваемого резервуара. Модель допускает, что объем резервуара постоянен, концентрация трития в нем однородна и равна концентрации на выходе из системы. Поступление трития происходит на входе с атмосферными осадками. Для этих условий справедливо соотношение (Романов, см.: Изотопия природных вод, 1978)

C_{n (выход)} = C_{n - 1 (выход)} e^{(ε + λ)} + C_{n (вход)} 

ε

ε + λ

 [1 - e^{- (ε + λ)}],

где С_{n (выход)} - концентрация трития в подземных водах в n-й год; С_{n - 1(выход)} - концентрация трития в (n - 1)-й год; С_{n (вход)} - концентрация трития в атмосферных осадках в n-й год, λ - константа распада трития (λ₃ = 0,055 года^-1); ε - безразмерная постоянная, равная отношению количества ежегодного питания к объему бассейна (1/ε - время водообмена бассейна). Используется также различие в концентрации трития до термоядерных испытаний и после них. Это различие привело к появлению пиков концентраций трития в подземных водах, которые служат своеобразным временным репером.

170