La radioactivité dans les eaux usées de fracturation provient de l'interaction entre une boue chimique et du schiste ancien pendant le processus de fracturation hydraulique, selon les recherches du Dartmouth College.

L'étude, détaillé dans des articles jumeaux apparaissant dans Géologie chimique , est la première recherche qui caractérise le phénomène de transfert de radium dans la méthode largement utilisée pour extraire le pétrole et le gaz. Les résultats s'ajoutent à ce qui est déjà généralement connu sur les mécanismes de libération du radium et pourraient aider à la recherche de solutions aux défis de l'industrie de la fracturation hydraulique.

À la suite de la fracturation, les États-Unis sont déjà un exportateur net de gaz et sont sur le point de devenir un exportateur net de pétrole dans les prochaines années. Mais les eaux usées produites contiennent des toxines comme le baryum et le radium radioactif. Lors de la décomposition, le radium libère une cascade d'autres éléments, comme le radon, qui génèrent collectivement une radioactivité élevée.

"Les trucs qui sortent de la fracturation sont extrêmement salés et pleins de cochonneries, " dit Mukul Sharma, professeur de sciences de la terre à Dartmouth et chef du projet de recherche. "La question est de savoir comment les déchets sont devenus radioactifs ? Cette étude donne une description détaillée de ce processus."

Pendant la fracturation, des millions de gallons d'eau combinés avec du sable et un mélange de produits chimiques sont pompés profondément sous terre à haute pression. L'eau sous pression brise le schiste et expulse le gaz naturel et le pétrole. Alors que le sable empêche les fractures de se refermer, une grande partie des eaux dites « glissantes » injectées dans le sol retournent à la surface sous forme de déchets hautement toxiques.

En cherchant à découvrir comment le radium est libéré sur les sites de fracturation, l'équipe de recherche a combiné des expériences d'extraction séquentielles et en série pour lixivier les isotopes du radium à partir d'échantillons de carottes de forage de schiste. Pour l'étude, l'équipe de recherche s'est concentrée sur les roches prélevées sur les sites de Pennsylvanie et de New York du schiste Marcellus. La caractéristique géologique est l'une des principales formations rocheuses aux États-Unis où la fracturation est effectuée pour extraire le gaz naturel.

Le premier document de recherche a révélé que le radium présent dans les schistes de Marcellus est lessivé dans l'eau salée en quelques heures à quelques jours seulement après le contact entre la roche et l'eau. Le radium lixiviable dans la roche provient de deux sources distinctes, minéraux argileux qui transfèrent le radium-228 hautement radioactif, et une phase organique qui sert de source de l'isotope radium-226 le plus abondant.

La deuxième étude décrit la mécanique du transfert du radium en combinant des résultats expérimentaux et des modèles de mélange isotopique avec des observations directes du radium présent dans les eaux usées résultant de la fracturation hydraulique dans les schistes de Marcellus.

Pris ensemble, les deux articles montrent que la salinité croissante de l'eau produite lors de la fracturation extrait le radium de la roche fracturée. Avant l'étude de Dartmouth, les chercheurs ne savaient pas si le radium radioactif provenait directement du schiste ou de saumures naturelles présentes en profondeur dans certaines parties du schiste Marcellus en Pennsylvanie.

"L'interaction entre l'eau et la roche qui se produit à des kilomètres sous la surface terrestre est très difficile à étudier, " a déclaré Josué Landis, chercheur principal à Dartmouth et auteur principal des articles de recherche. "Nos mesures des isotopes du radium fournissent de nouvelles informations sur ce problème."

La recherche confirme que lorsque les eaux usées traversent le réseau de fractures et retournent au trou de forage de fracturation, il s'enrichit progressivement en sels. La composition très saline des eaux usées est responsable de l'extraction du radium du schiste et de sa remontée en surface.

« Le radium repose sur les surfaces minérales et organiques du site de fracturation en attendant d'être délogé. Lorsque l'eau avec la bonne salinité arrive, il la prend sur la radioactivité et la transporte, " dit Sharma.

Les découvertes de Dartmouth surviennent alors que la production de pétrole et de gaz naturel aux États-Unis a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie en raison de la fracturation hydraulique. Comprendre la mécanique du transfert de radium pendant la fracturation pourrait aider les chercheurs à développer des stratégies pour atténuer la production d'eaux usées.

"La science est laissée pour compte par la ruée vers l'or, " a déclaré Sharma. " Obtenir la science est la première étape pour résoudre le problème. "

Une étude antérieure de Dartmouth, ont constaté que le baryum métallique réagit aux processus de fracturation de manière similaire. Le radium et le baryum font tous deux partie du même groupe de métaux alcalino-terreux.