Радиоактивность сточных вод, образующихся при гидроразрыве пласта, возникает в результате взаимодействия между химическим раствором и древним сланцем во время процесса гидроразрыва пласта, согласно исследованию Дартмутского колледжа.
Исследование, подробно описанное в двух статьях, опубликованных в журнале Chemical Geology, является первым исследованием, которое характеризует явление переноса радия в широко используемом методе добычи нефти и газа. Полученные данные дополняют то, что уже известно о механизмах выделения радия, и могут помочь в поиске решений проблем в отрасли гидроразрыва пласта.
В результате гидроразрыва пласта США уже являются нетто-экспортером газа и готовы стать нетто-экспортером нефти в ближайшие несколько лет. Но образующиеся сточные воды содержат токсины, такие как барий и радиоактивный радий. При распаде радий высвобождает каскад других элементов, таких как радон, которые в совокупности создают высокую радиоактивность.
«Материал, который выходит, когда вы фрекаете, чрезвычайно соленый и полный гадостей», - сказал Мукул Шарма, профессор наук о Земле в Дартмуте и руководитель исследовательского проекта. «Вопрос в том, как отходы стали радиоактивными? В этом исследовании дается подробное описание этого процесса».
Во время фрекинга миллионы галлонов воды в сочетании с песком и смесью химикатов закачиваются глубоко под землю под высоким давлением. Вода под давлением разрушает сланец и вытесняет природный газ и нефть. В то время как песок предотвращает повторное запечатывание трещин, большая часть так называемой «скользкой воды», которая впрыскивается в землю, возвращается на поверхность в виде высокотоксичных отходов.
В поисках того, как радий высвобождается на участках фрекинга, исследовательская группа объединила последовательные и серийные эксперименты по извлечению изотопов радия из образцов сланцевого бурового керна. Для исследования исследовательская группа сосредоточилась на камнях, взятых из Пенсильвании и Нью-Йорка, где находятся сланцы Марселлус. Геологический объект представляет собой одно из основных горных образований в США, где проводятся гидроразрывы пласта для добычи природного газа.
В первой исследовательской работе было обнаружено, что радий, присутствующий в сланцах Марцеллус, выщелачивается в соленую воду всего от нескольких часов до нескольких дней после контакта между породой и водой. Выщелачиваемый радий в породе происходит из двух различных источников: глинистых минералов, которые переносят высокорадиоактивный радий-228, и органической фазы, которая служит источником более распространенного изотопа радия-226.
Второе исследование описывает механику переноса радия путем объединения экспериментальных результатов и моделей смешивания изотопов с непосредственными наблюдениями радия, присутствующего в сточных водах, образовавшихся в результате гидроразрыва пласта в сланцах Марцеллус.
В совокупности эти две статьи показывают, что увеличение солености воды, образующейся во время гидроразрыва пласта, приводит к вытягиванию радия из трещиноватой породы. До исследования в Дартмуте исследователи не были уверены, поступает ли радиоактивный радий непосредственно из сланца или из естественных рассолов, присутствующих на глубине в некоторых частях сланца Марцелл в Пенсильвании..
"Взаимодействие между водой и горными породами, которое происходит на километры ниже поверхности земли, очень трудно исследовать", - сказал Джошуа Лэндис, старший научный сотрудник Дартмутского университета и ведущий автор исследовательских работ. «Наши измерения изотопов радия позволяют по-новому взглянуть на эту проблему».
Исследование подтверждает, что по мере того, как сточные воды проходят через сеть трещин и возвращаются в скважину для гидроразрыва, они постепенно обогащаются солями. Высокосоленый состав сточных вод отвечает за извлечение радия из сланца и вынос его на поверхность.
«Радий находится на минеральных и органических поверхностях в пределах участка гидроразрыва пласта и ждет, когда его вытеснят. Когда приходит вода с нужной соленостью, она поглощает радиоактивность и переносит ее», - сказал Шарма.
Выводы, полученные в Дартмуте, связаны с тем, что добыча нефти и природного газа в США резко возросла за последнее десятилетие из-за гидроразрыва пласта. Понимание механики переноса радия во время фрекинга может помочь исследователям разработать стратегии по уменьшению образования сточных вод.
«Золотая лихорадка оставила науку позади», - сказал Шарма. «Получить науку - это первый шаг к решению проблемы».
Ранее проведенное в Дартмуте исследование показало, что металлический барий аналогичным образом реагирует на процессы фрекинга. Радий и барий относятся к одной и той же группе щелочноземельных металлов.