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水力壓裂法:同位素水文學(xué)如何支持環(huán)境評估以幫助保護(hù)地下水

源自《國際原子能機(jī)構(gòu)通報(bào)》
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水力壓裂法是一種良好的刺激技術(shù),通過在高壓下注入流體使巖石破裂,以獲取石油和天然氣。同位素水文學(xué)家可以監(jiān)測水質(zhì)并追蹤污染源(如果有的話)。

從原則上說,水源保護(hù)區(qū)附近的任何工業(yè)活動都可能造成污染。同位素水文學(xué)為監(jiān)測水質(zhì)和追蹤污染源(如果有的話)提供了一種獨(dú)特的方法組合。越來越多的國家正在利用這項(xiàng)技術(shù),通過一種稱為水力壓裂法的方法保護(hù)用于采油場地附近的地表水和地下水。

水力壓裂法開辟了以前難以獲取的石油和天然氣生產(chǎn)資源。這種資源約占美國石油輸出總量的一半,許多發(fā)展中國家正在考慮首次使用這種方法。

水力壓裂法是一種良好的刺激技術(shù),通過在高壓下注入流體使巖石破裂。這種流體由水、沙子和其他化學(xué)添加劑組成。水力壓裂法通過井注入流體,在深部巖層中產(chǎn)生裂縫,從而使天然氣和石油可以通過這些裂縫更自由地流動。此方法可以獲取夾在緊密巖層并且使用傳統(tǒng)鉆孔和泵送方法無法獲取的石油和天然氣。

地表水會因壓裂過程的溢出而被污染,也可能因提取后回收壓裂液的廢物坑發(fā)生意外釋放而被污染;如果流體通過例如廢棄或泄漏的井逸出,地下水就會受到污染;如果天然氣泄漏到淺層含水層,飲用水也可能被污染。

美國亞利桑那大學(xué)水文學(xué)與大氣科學(xué)教授 Jennifer McIntosh說,在許多疑似污染的情況下,由于缺乏基線數(shù)據(jù),難以確定污染的來源和程度?!翱茖W(xué)界有機(jī)會就評估逸散性氣體泄漏和壓裂液或地下水污染的最佳分析方法提供導(dǎo)則,”她說。

同位素水文學(xué)如何提供幫助

McIntosh和來自世界頂尖大學(xué)的14位其他作者最近發(fā)表的一篇論文解釋了各種同位素水文學(xué)技術(shù)如何用于監(jiān)測水力壓裂法對地下水和地表水的影響,并就在各種情況和環(huán)境條件下使用哪種方法提出了建議。這篇題為“評含水層中壓裂衍生氣體和相關(guān)污染物識別的最新技術(shù)和新方法”的論文在2018年12月見于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》期刊,其最初想法是在兩年前的一次國際原子能機(jī)構(gòu)技術(shù)會議上提出的。

最近在碳?xì)浠衔?、高分辨率天然氣?shù)據(jù)集和從地面到目標(biāo)儲層的相關(guān)流體中使用天然存在的同位素示蹤劑的分析發(fā)展,以及將惰性氣體地球化學(xué)和微生物學(xué)納入更傳統(tǒng)的水文地質(zhì)和地球化學(xué)方法,為識別污染流體的來源提供了強(qiáng)有力的分析工具。

天然存在的放射性物質(zhì)或鹽等物質(zhì)可以天然存在于地下水中,但也可能是污染的結(jié)果。同位素水文學(xué)可用于區(qū)分這些來源,來源的同位素組成取決于其源頭:測量微量元素濃度、水的穩(wěn)定同位素和溶解組分以及碘、氡和鍶的放射性同位素,可以提供有關(guān)水的源頭及其溶解組分的數(shù)據(jù)。除了傳統(tǒng)的離子化學(xué)分析外,這可以揭示水的源頭以及它所含的物質(zhì)是壓裂、其他人類活動的結(jié)果還是天然存在于環(huán)境中。

理想情況下,在壓裂開始之前,應(yīng)對該地區(qū)的地下水和地表水進(jìn)行本底同位素調(diào)查,以確定該地區(qū)水體的鉆前特征。McIntosh解釋說,然后可以對照這一基線對懷疑由壓裂活動造成的污染進(jìn)行同位素檢測。

利用甲烷氣體的“聚集同位素”的一種新興的復(fù)雜同位素方法,使科學(xué)家能夠探測甲烷氣體中氫同位素相對于其單個(gè)碳原子的分子位置,對可疑的雜散氣體可能來自哪個(gè)氣藏給出新的診斷見解,并區(qū)分甲烷是來自深層熱源還是由土壤細(xì)菌在含水層中自然產(chǎn)生的,還是上述混合原因造成的?!叭珉?81和氬同位素等新的地下水年齡放射性示蹤劑可以幫助確定與水力壓裂及石油和天然氣生產(chǎn)有關(guān)的污染物可能存在于飲用水含水層中的時(shí)間,” McIntosh說。

論文最后一部分提供了分階段識別污染計(jì)劃的指南,并提供了一個(gè)戰(zhàn)略路線圖,使監(jiān)管官員能夠在特定場址的情況下選擇最佳的同位素水文方法。

McIntosh補(bǔ)充說,開發(fā)用于檢測壓裂中污染的一些方法具有更廣泛的應(yīng)用,包括用于二氧化碳地下儲存和核廢物處置。

本文登載于《國際原子能機(jī)構(gòu)通報(bào)》2019年4月刊《水》

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