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    水力壓裂法:同位素水文學如何支持環境評估以幫助保護地下水

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

    從原則上說,水源保護區附近的任何工業活動都可能造成污染。同位素水文學為監測水質和追蹤污染源(如果有的話)提供了一種獨特的方法組合。越來越多的國家正在利用這項技術,通過一種稱為水力壓裂法的方法保護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資源。這種資源約占美國石油輸出總量的一半,許多發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,通過在高壓下注入流體使巖石破裂。這種流體由水、沙子和其他化學添加劑組成。水力壓裂法通過井注入流體,在深部巖層中產生裂縫,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。

    美國亞利桑那大學水文學與大氣科學教授 Jennifer McIntosh說,在許多疑似污染的情況下,由于缺乏基線數據,難以確定污染的來源和程度。“科學界有機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則,”她說。

    同位素水文學如何提供幫助

    McIntosh和來自世界頂尖大學的14位其他作者最近發表的一篇論文解釋了各種同位素水文學技術如何用于監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污染物識別的最新技術和新方法”的論文在2018年12月見于《環境科學與技術》期刊,其最初想法是在兩年前的一次國際原子能機構技術會議上提出的。

    最近在碳氫化合物、高分辨率天然氣數據集和從地面到目標儲層的相關流體中使用天然存在的同位素示蹤劑的分析發展,以及將惰性氣體地球化學和微生物學納入更傳統的水文地質和地球化學方法,為識別污染流體的來源提供了強有力的分析工具。

    天然存在的放射性物質或鹽等物質可以天然存在于地下水中,但也可能是污染的結果。同位素水文學可用于區分這些來源,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,可以提供有關水的源頭及其溶解組分的數據。除了傳統的離子化學分析外,這可以揭示水的源頭以及它所含的物質是壓裂、其他人類活動的結果還是天然存在于環境中。

    理想情況下,在壓裂開始之前,應對該地區的地下水和地表水進行本底同位素調查,以確定該地區水體的鉆前特征。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”的一種新興的復雜同位素方法,使科學家能夠探測甲烷氣體中氫同位素相對于其單個碳原子的分子位置,對可疑的雜散氣體可能來自哪個氣藏給出新的診斷見解,并區分甲烷是來自深層熱源還是由土壤細菌在含水層中自然產生的,還是上述混合原因造成的。“如氪-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有關的污染物可能存在于飲用水含水層中的時間,” McIntosh說。

    論文最后一部分提供了分階段識別污染計劃的指南,并提供了一個戰略路線圖,使監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補充說,開發用于檢測壓裂中污染的一些方法具有更廣泛的應用,包括用于二氧化碳地下儲存和核廢物處置。

    本文登載于《國際原子能機構通報》2019年4月刊《水》

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