Radioaktivitet i fracking av avloppsvatten kommer från interaktionen mellan en kemisk slurry och gammal skiffer under den hydrauliska sprickningsprocessen, enligt Dartmouth College forskning.

Studien, detaljerad i tvillingpapper som visas i Kemisk geologi , är den första forskningen som kännetecknar fenomenet radiumöverföring i den mycket använda metoden för att utvinna olja och gas. Fynden lägger till det som redan är allmänt känt om mekanismerna för frisättning av radium och kan hjälpa sökandet efter lösningar på utmaningar inom frackingindustrin.

Som ett resultat av fracking, USA är redan en nettoexportör av gas och är redo att bli en nettoexportör av olja under de närmaste åren. Men avloppsvattnet som produceras innehåller toxiner som barium och radioaktivt radium. Vid förfall, radium släpper ut en kaskad av andra element, som radon, som tillsammans genererar hög radioaktivitet.

"Det som kommer ut när du frackar är extremt salt och fullt av otäckt, sade Mukul Sharma, en professor i geovetenskaper vid Dartmouth och chef för forskningsprojektet. "Frågan är hur avfallet blev radioaktivt? Denna studie ger en detaljerad beskrivning av den processen."

Under fracking, miljontals liter vatten i kombination med sand och en blandning av kemikalier pumpas djupt under jorden vid högt tryck. Det trycksatta vattnet bryter isär skiffern och tvingar ut naturgas och olja. Medan sanden hindrar sprickorna från att återförslutas, en stor del av det så kallade "slickvatten" som injiceras i marken återgår till ytan som mycket giftigt avfall.

I ett försök att upptäcka hur radium frigörs vid frackingplatser, forskargruppen kombinerade sekventiella och seriella extraktionsexperiment för att laka ut radiumisotoper från prover från skifferborrkärna. För studien, forskargruppen fokuserade på stenar tagna från Pennsylvania och New York platser i Marcellus Shale. Det geologiska särdraget är en av de största bergformationerna i USA där fracking utförs för att utvinna naturgas.

Det första forskningsdokumentet fann att radium som finns i Marcellus-skiffern lakas ut i saltvatten på bara timmar till dagar efter att kontakten mellan sten och vatten har skapats. Det lakbara radiumet i berget kommer från två distinkta källor, lermineraler som överför mycket radioaktivt radium-228, och en organisk fas som fungerar som källan till den mer rikliga isotopen radium-226.

Den andra studien beskriver radiumöverföringsmekaniken genom att kombinera experimentella resultat och isotopblandningsmodeller med direkta observationer av radium som finns i avloppsvatten som har resulterat från fracking i Marcellus-skiffern.

Tagen tillsammans, de två artiklarna visar att den ökande salthalten i vatten som produceras under fracking drar radium från det spruckna berget. Före Dartmouth-studien, forskarna var osäkra på om det radioaktiva radiumet kom direkt från skiffern eller från naturligt förekommande saltlösningar som finns på djupet i delar av Marcellus-skiffern i Pennsylvania.

"Interaktion mellan vatten och berg som sker kilometer under landytan är mycket svår att undersöka, sa Joshua Landis, en senior forskare vid Dartmouth och huvudförfattare för forskningsartiklarna. "Våra mätningar av radiumisotoper ger nya insikter om detta problem."

Forskningen bekräftar att när avloppsvatten färdas genom spricknätet och återvänder till frackningsborrhålet, det blir successivt anrikat på salter. Avloppsvattnets mycket salthaltiga sammansättning är ansvarig för att utvinna radium ur skiffern och föra den upp till ytan.

"Radium sitter på mineraliska och organiska ytor inom frackingplatsen och väntar på att lossna. När vatten med rätt salthalt kommer förbi, den tar på sig radioaktiviteten och transporterar den, sa Sharma.

Dartmouth -fynden kommer när olje- och naturgasproduktionen i USA har ökat dramatiskt under det senaste decenniet på grund av fracking. Att förstå mekaniken för radiumöverföring under fracking kan hjälpa forskare att utveckla strategier för att minska avloppsvattenproduktionen.

"Vetenskapen lämnas bakom av guldrushen, "Sade Sharma. "Att få tag på vetenskapen är det första steget för att lösa problemet."

En tidigare Dartmouth-studie, fann att metallbariumet reagerar på frackningsprocesser på liknande sätt. Radium och barium är båda en del av samma grupp av alkaliska jordartsmetaller.