Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Нарушение изотопного равновесия для растворенного в природных водах урана (234U/238U) открыто П.И. Чаловым и В.В. Чердынцевым и объяснено радиокинетическим эффектом – повышением миграционной подвижности дочерних продуктов по сравнению с родительскими изотопами. Для подавляющего большинства водных объектов отношение 234U/238U лежит в интервале 0,8–3 (здесь и далее по активностям). В средних и высоких широтах Земного шара в подземных водах наблюдается устойчивое смещение этого отношения в область 10–20, а в отдельных случаях фиксируются величины 234U/238U ~ 50. Поляковым В.А. выдвинута идея о том, что ураганные избытки урана-234 следует связать с пребыванием пород в мерзлом состоянии и последующем их таянии. В периоды похолоданий в отсутствие жидкой воды 234U накапливается во вмещающих породах, а затем экстрагируется из них талой водой, образованной при деградации мерзлоты, более высокими темпами, чем 238U. Фундаментальная проверка приведенной выше гипотезы возможна на базе данных об изотопном составе урана в Мировом океане. Обобщение литературных данных по вариациям изотопного состава урана в водах, кораллах, створках моллюсков и карбонатных отложениях Мирового океана (из публикаций извлечено около 3000 анализов) поддерживают гипотезу о том, что рост потока 234U в океан происходит вследствие увеличения стока талых вод, образующихся при деградации мерзлоты на континентах в теплые климатические эпохи. Опробование Баренцева моря участниками проекта показывает, что обогащение океанической воды ураном-234 проявляется тем сильней, чем более изолирован участок моря от общей океанической циркуляции, чем больше относительная длина береговой линии и вклад континентальных вод в химический баланс водоема. На северо-востоке Евразии авторами изучаются подземные и поверхностные воды Ленинградской области, Карелии, Кольского полуострова, Архангельской области, бассейна р. Печоры и Предволжья. Участки территории, находившиеся, согласно палеореконструкциям, в пределах Скандинавского щитового ледника в позднем плейстоцене содержат подземные воды, изотопный состав которых определенно указывает на существование холодных климатических условий, при этом изотопный состав урана мало отличается от равновесного. Напротив, участки территории, относившиеся к перигляциальной области в период существования Скандинавского ледника, содержат неравновесный уран при значительно варьирующих изотопных составах воды. Последние две особенности поведения неродственных изотопных систем подземных вод обусловлены тем, что в пределах ледника с мощностью льда более 400–600 м происходит подтаивание его подошвы, мерзлота отсутствует и имеет место глубокая циркуляция талой ледниковой (не мерзлотной!) воды. При этом условия для накопления избытков урана-234 в подземных водах отсутствуют. В зоне развития мерзлоты, напротив, отсутствует фильтрационная циркуляция воды, фиксируя картину распределения изотопного состава кислорода и водорода, сложившуюся к моменту похолодания. Одновременно, возникают условия для накопления урана-234 в кристаллической матрице породообразующих минералов, который мобилизуется после начала таяния подземных льдов, формируя наблюдаемые аномалии отношения 234U/238U. Мерзлые отложения Большеземельской тундры изучены методом георадара. Высокая льдистость характерна для озерных и озерно-болотных отложений. Пораженность криогенными процессами, развитыми в пределах морских террас и равнин, возрастает от более древних к более молодым уровням. Изучение мерзлотных условий имеет практическое значение при оценке состояния сибиреязвенных скотомогильников и прогнозе эпидемиологической ситуации в условиях меняющегося климата. Предложен комплекс мероприятий, включающий в себя мониторинг температурного состояния пород, оценку геокриологической опасности, создание математических моделей развития ситуации, что будет способствовать минимизации негативных последствий, связанных с климатическими изменениями.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Выполнено исследование мерзлотных условий и условий формирования талого стока на Приполярном Урале в зоне развития горной мерзлоты (месторождение горного хрусталя «Желанное»). Для исследования условий формирования талого стока было выполнено опробование различных водотоков с измерением широкого спектра физико-химических и изотопно-гидрохимических параметров. Точки опробования были расположены в широком диапазоне высот от 620 до 1180 м, что должно было обеспечить представительность опробования относительно условий таяния мерзлоты. Установлено, что распределение температур, ред-окс потенциала, электропроводности и содержания отдельных элементов в водотоках на г. Баркова указывают, что талые мерзлотные воды, особенно в зонах развития тектонической трещиноватости, существенно изменяют физико-химические характеристики воды. В частности, существенно понижаются pH и температура воды, растет Eh и содержание микроэлементов, что особенно хорошо заметно на общем сглаженном гидрохимическом фоне. Была выявлена существенно различающаяся реакция урана-234 (в виде отношения 234U/238U) и общего содержания урана-238 на изменение физико-химических обстановок, обусловленных таянием мерзлоты и таянием сезонных снегов. Наиболее четко это прослеживается в парных корреляциях. Так, отношение 234U/238U существенно возрастает при приближении реакции среды к нейтральной по водородному показателю, в то время как скорость выщелачивания урана из пород снижается. Соответственно, концентрации урана-238 и отношение 234U/238U связаны обратно пропорциональной зависимостью. Рост окислительно-восстановительного потенциала (рост вклада талой снеговой воды) ведет к увеличению содержаний урана-238 и снижению отношения 234U/238U. Аналогичное расхождение в реакциях содержаний урана-238 и отношений 234U/238U наблюдается для Ni, Si, Fe, Zn, Ba, S, Y, Pr, Nd, Sm. Рост температур (то есть, косвенно – глубины протаивания) ведет к росту и отношения 234U/238U и содержаний урана-238. Таким образом, полученные данные достаточно надежно доказывают, что вклад талой мерзлоты оказывает существенное влияние на изотопный состав растворенного урана и, соответственно, отражается в виде накопленного сигнала в океанической воде после включения континентального стока (данные опробования Баренцева моря, демонстрирующего высокие избытки 234U/238U). Исследование мерзлотных условий выполнено методом георадиолокационного зандирования, а также по темпам эманаций изотопа 222Rn – тяжелого газообразоного продукта распада в цепочке 238U. По результатам георадарных исследований определена мощность сезонно-талого слоя для различных участков съемки, определено строение верхней части геологического разреза, оценен состав моренных отложений, уточнены границы структурных элементов. Для сезонно-талого слоя определены параметры увлажненности и характер проявления криогенных процессов – солифлюкционные течения, морозное пучение. Мощность сезонно-талого слоя в среднем составляла 0.45 – 1 м, однако на отдельных участках георадарных исследований было отмечено фрагментарное распространение либо полное отсутствие многолетнемерзлых пород в верхней части разреза (до глубин сканирования георадаром). Исследование темпов эманаций 222Rn на участках георадарной съемки позволило установить связь между плотностью потока 222Rn и мерзлотными условиями. Установлено, что с увеличением мощности сезонно-талого слоя (глубины протаивания) поток 222Rn значительно возрастает. Обнаружено, что увеличение темпов эманаций 222Rn на участках деградации мерзлоты в свою очередь ведет к формированию аномальной активности продуктов распада радона имеющих длительный период полураспада (210Pb и 210Po) в растительности, верхнем слое почв и приземном воздухе. С целью количественного описания влияния мерзлотных условий на высвобождение (поток) 222Rn были проведены натурные исследования путем создания экспериментальный площадки с заданными радиационно-физическими параметрами имитирующей строение верхнего разреза криолитозоны (сезонно-талый слой, многолетнемерзлые породы), на которой непрерывно проводили измерение плотности потока радона. Экспериментальные работы показали, что в мерзлом состоянии грунта диффузионная подвижность радона сильно ограничена в присутствии льда (коэффициент эманирования около 1 %). Однако при полном оттаивании мерзлых пород концентрация радона в реальных условиях увеличивается в 6-8 раз, моделирование (расчетные значения) показывает увеличение в 20 раз и активность до 43000 Бк‧м-3. Экспериментальные работы показали, что деградация мерзлых пород, особенно на территориях с высоким естественным радиогеохимическим фоном, привет к значительному увеличению потока радона, что потребует изменения существующих подходов к оценке радоноопасности территорий. В свою очередь увеличение потока 222Rn при оттаивании многолетнемерзлых пород может привести к изменению параметров естественного радиационного фона на поверхности земли за счет накопления продуктов распада.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнены изотопно-гидрохимические исследования условий формирования подземных вод, связанные с климатическими вариациями в позднем плейстоцене и голоцене на примере Ленинградской области и Южной Карелии. По изотопному (δ18O, δ2H, 234U/238U, δ13C, 3H) и химическому составу, а также с учетом геологических и гидрогеологических условий, все опробованные водные объекты делятся на три группы. 1) Современные пресные грунтовые воды с минерализацией до 0,4 г/л, изотопный состав δ18O от -9.60 до -12.0 ‰ и δ2H от -74.7 до -88.0 ‰, концентрация 3H от первых единиц до 10–12 ТЕ; 2), изотопный состав урана 234U/238U = 1,0–1,3. 2) Молодые пресные подземные воды с минерализацией до 0,3–0,8 г/л и возрастом несколько выше 100 лет, изотопный состав δ18O от -11.6 до -12.9 ‰ и δ2H от -85.0 до -91.0 ‰, тритий отсутствует. 3) Условно «древние» подземные воды с существенным возрастом, воды пресные, в некоторых случаях с минерализацией до 1,2 г/л. По изотопному составу эти воды существенно отличаются от современных и молодых, так как их изотопный состав облегчен до величин δ18O = -14.86 ‰ и δ2H = -110.3 ‰. Эти наиболее изотопически легкие воды, обнаруженные в вендском водоносном комплексе включают два компонента, что отчетливо видно при учете данных по изотопному составу растворенного урана 234U/238U и углерода δ13C: i) «возрожденные» (талые мерзлотные) воды; ii) воды, имеющие признаки влияния Балтийского ледникового озера (10,3–12,6 тыс. лет назад), в котором изотопный состав кислорода достигал величин δ18O от -15 до -22 ‰, в зависимости от географического положения. В водах с признаками влияния Балтийского ледникового озера, изотопный состав урана составляет 234U/238U = 1,5–2,3, однако изотопный состав углерода карбонатной системы существенно облегчен до δ13C = -24.5 ‰. Установлено, что «возрожденные» воды имеют ураганные избытки урана-234 с отношениями 234U/238U до 25.4, а изотопный состав углерода карбонатной системы составляет около δ13C = -19.0 ‰. Одновременно, они оказываются не самыми изотопически легкими, так как имеют составы δ18O от -13.9 до -14.2 ‰ и δ2H от -102,4 до -103.2 ‰. Последнее объясняется тем, что воды, подвергшиеся в период похолодания замерзанию в подземных условиях, поступили в водоносные горизонты до начала или в самом начале похолодания. Поскольку вендский водоносный комплекс активно эксплуатируется с целью питьевого водоснабжения в регионе, то в большинстве случаев пробы представляют собой смеси вод различного возраста. Поэтому возможно, что избытки урана 234U/238U в конечном члене смешения, представленном «возрожденными» водами, окажутся выше обнаруженных. И «возрожденные» воды и воды с признаками влияния Балтийского ледникового озера являются пресными или со слегка повышенной до 1.2 г/л соленостью. Все три компонента современные, молодые и «древние» воды, значительно отличаются по концентрациям сульфатов и магния. Повышенные содержания SO42- и Mg2+ в «возрожденных» водах обусловлены их длительным временем контакта с вмещающими породами. При этом высокие содержания сульфатов обусловлены окислительной обстановкой, господствовавшей на изученной территории в ледниковый период. Выполнены изотопно-гидрохимические исследования подземных вод региона Предволжье, который в период последнего оледенения располагался в перигляциальных условиях и в силу гидродинамических условий, сохранивший до настоящего времени архив «возрожденных» (талых мерзлотных) вод в виде изотопных сигнатур. Установлено влияние физико-химических параметров и химического состава подземных вод Предволжья на формирование изотопных характеристик растворенного урана 234U/238U. Аномальные значения отношения 234U/238U (более 16) проявляются только в подземных водах глубинной циркуляции, которые по изотопно-гидрохимическим данным (в том числе δ18O и δ2H) имеют признаки криогенной метаморфизации и интерпретируются как «возрожденные» воды, сформированные в ходе таяния мерзлоты, существовавшей на данной территории в последнее оледенение. Установлено, что величина 234U/238U (менее 3) в подземных водах региона Предволжье может использоваться для выявления перспективных водоносных комплексов в водами кондиционного качества (пресные гидрокарбонатные). Это крайне важно с практической точки зрения, поскольку территория Предволжья характеризуется напряженным водным балансом. Выполнена диагностика компонентов стока малого горного водосбора с оледенением на базе данных об изотопном составе воды на примере бассейна р. Ала-Арча (северный склон Киргизского хребта). В настоящее время здесь фиксируются интенсивные процессы деградации горного оледенения (в том числе забронированных ледников, горной мерзлоты), сокращение мощности и площади ледников связанные с потеплением климата, что отражается в изотопных параметрах речного стока. Так, распределение физико-химических параметров в зависимости от высоты местности обнаруживает закономерное изменение с увеличением высоты: падает температура и электропроводность воды; происходит облегчение изотопного состава воды δ18O и δ2H. Для рэдокс и водородного потенциалов зависимость от высоты менее выражена, однако заметно смещение pH в более кислую сторону и Eh в сторону увеличения положительных значений при подъеме отметок местности. Анализ изотопного состава поверхностных и подземных вод показывает наличие нескольких источников формирования стока, включая: – атмосферные осадки; – талый сток от современного оледенения (сезонный снег-фирн-лед); – термальные воды. Установлено, что в водном балансе р. Ала-Арча также обнаруживается участие талого стока от древнего оледенения (захороненный под плащом обломочных отложений лед и мерзлота), который имеет аномально тяжелый для высоты опробования изотопный состав, свидетельствующий о формировании данного компонента в предыдущий период потепления. В настоящее время таяние мерзлоты могло быть инициировано потеплением климата. Это компонент также оказывает существенное влияние на изотопный состав растворенного урана в речных водах. Так, водотоки имеющие исключительно ледниковое питание и лед современного оледенения характеризуются равновесным изотопным составом урана 234U/238U=1, отражающим питание атмосферными осадками. В тоже время талый сток от древнего оледенения, выделяемый в верховьях р. Ала-Арчи на высотах 2800-3100 м н.у.м. по утяжелению δ18O, росту минерализации и температуры имеет аномальные для поверхностных вод района значения 234U/238U до 1,35. Подобная реакция в системе 234U-238U нами также была зафиксирована при исследовании малых водотоков на Приполярном Урале в зоне развития горной мерзлоты (опробование 2021 года). Выполнена оценка формирования радиационного качества подземных вод с аномальным изотопным отношением 234U/238U, имеющим криогенное происхождение, связанное с воздействием прошлых климатических колебаний на водоносные горизонты (деградация мерзлоты) на примере Ленинградской области, Южной Карелии и Предволжья. Установлено, что подземные воды, сформированные из оттаявшей мерзлоты при крайне низких концентрациях урана (около 0,48 мкг/л), могут иметь неудовлетворительное радиологическое качество из-за аномального избытка урана-234 (234U/238U более 25). Это показывает важность изучения не только концентрации урана (фактически содержания урана-238), но и изотопного состава урана в подземных водах. Таким образом, разрешается противоречие между нормированием содержаний урана по предельно допустимым концентрациям и ограничением в виде уровня вмешательства. В качестве скринингового параметра предлагается использовать концентрацию урана в воде на уровне 0,5 мкг/л, а при превышении этой концентрации переходить к определению активности его изотопов. Регионами, в которых данный скрининговый параметр предлагается апробировать в первую очередь, являются территории, которые в период последнего оледенения были заняты мерзлотой, а в настоящее время потеряли все виды подземных льдов. Результаты исследования должны быть применены при разработке управленческих решений по организации водоснабжения регионов и оценке радиационного качества подземных вод.