บทที่4การศึกษาไอโซโทป

การศึกษาแหล่งน้ำ�าบาดาลโดยใชเ้ทคนิคในการวเิคราะหไ์อโซโทปแวดล้อม(environmental isotope) เพื่อใชแ้ก้ไขปัญหาเกี่ยวกับน้ำ�าบาดาล โดยอาศัยลักษณะการเปล่ียนแปลงปรมิาณของไอโซโทปในปรมิาณ

น้ำ�าไหลเขา้ ตามสมการความสมดลุของแหล่งน้ำ�าบาดาล( สมการท ี่ 4.1) เพื่อหาต้นก้ำาเนิดและแหล่งเพิม่เติมน้ำ�า และคณุสมบตัิการสลายตัวของสารกัมมนัตรงัสเีพื่อค้ำานวณเวลาในการอยูห่รอือายุของน้ำ�าในแหล่งน้ำ�าบาดาล

I – O = S (4.1) เมื่อ I เป็นปรมิาณน้ำ�าไหลเขา้ต่อหน่วยเวลา

O เป็นปรมิาณน้ำ�าไหลออกต่อหน่วยเวลา

S เป็นการเปล่ียนแปลงปรมิาณน้ำ�าส้ำารองในระบบน้ำ�าบาดาลต่อหน่วยเวลา

ไอโซโทปแวดล้อมที่ใชใ้นการศึกษามทีั �งไอโซโทปที่เสถียร(stable isotope) ซึ่งเป็นไอโซโทปของ

ธาตซุึ่งประกอบเป็นโมเลกลุของน้ำ�าได้แก ่ ออกซเิจน-18(18 O) และ ดิวทีเรยีม (2 H, D) และไอโซโทป

กัมมนัตรงัสี(radioactive isotope) คือ คารบ์อน-14(C-14) และ ทรเิทียม(3 H)

4.1 ไอโซโทปที่เสถียร(stable isotope)

ไอโซโทปเสถียร เป็นไอโซโทปที่ไมส่ลายตัวเกิดอยูใ่นธรรมชาติและมมีากที่สดุ คือ ออกซเิจน-16(16 O) มปีระมาณ 99.759 เปอรเ์ซนต์ สว่นดิวทีเรยีมมปีระมาณ 0.Ol5 เปอรเ์ซน็ต์ และออกซเิจน-18

มปีระมาณ 0.2039 เปอรเ์ซนต ์ (Gat, 1981) เนื่องจากการวดัอัตราสว่นความอุดมสมบูรณ์แท้จรงิของ ไอโซโทปไมส่ามารถวดัได้โดยตรงจากน้ำ�าในธรรมชาติหรอืสารประกอบอ่ืนๆ แต่จะวดัหาค่าความแตกต่างของอัตราสว่นของ

ไอโซโทปเปรยีบเทียบกับไอโซโทปซึ่งมคีวามอุดมสมบูรณ์มากกวา่กับตัวอยา่งอ้างอิง ความแตกต่างนี�จะแสดงโดยอักษร

กรกี(เดลต้า) มหีน่วยเป็นสว่นในพนั (per mil, ‰)

ตัวอยา่ง =

เมื่อ R หมายถึงอัตราสว่นของไอโซโทป คือ และ ค่าเดลต้าเป็นค่าบวกแสดงถึงตัวอยา่งของไอโซโทปชนิดหนักมค่ีามากกวา่เมื่อเทียบกับอัตราสว่นของชนิดหนักอ้างอิง ใน

ทางตรงขา้มถ้ามลีบแสดงถึงไอโซโทปชนิดหนักมคี่าน้อยกวา่ เนื่องจากความแตกต่างระหวา่งตัวอยา่งกับตัวอยา่งอ้างอิงมคี่าน้อยมาก ดังนั �นเพื่อความสะดวกจงึแสดงค่า

เดลต้า เป็น (‰) = x 1000 ซึ่งมหีน่วยเป็น ‰ เรยีกวา่ เปอรม์ลิล ์ (per mille) ส้ำาหรบัค่าตัวอยา่งอ้างอิงมาตรฐาน จะใชต้ามมาตรฐานของ SMOW(standard mean ocean water) และ V-SMOW(Vienna standard mean ocean water)

เหตผุลที่ใชค้่าเฉล่ียของตัวอยา่งน้ำ�ามหาสมุทรเป็นตัวอยา่งมาตรฐานการอ้างอิง เพราะวา่ในมหาสมุทรจะมนี้ำ�าถึง 98 % ของน้ำ�าปรากฏบนพื�นผิวโลกและค่อนขา้งมสีว่นประกอบของไอโซโทปเหมอืนกัน และเป็นจุดรากฐานของการเคล่ือนยา้ยตัว

ของน้ำ�าในวฎัจกัรของน้ำ�า โดยทัว่ไปค่า 18 O และ D ของน้ำ�าบรรยากาศ(meteoric water) จาก

มหาสมุทรถึงแผ่นดินจะเปล่ียนแปลงไปตามความสมัพนัธด์ังนี�

D = a 180 + dโดยที่น้ำ�าที่ไมเ่กิดการระเหย(evaporation) ค่า a จะมคี่าเท่ากับ 8 ในทางตรงขา้มมคี่าเท่ากับ 6 สว่นค่า

เฉล่ียทัว่โลกของค่า d ส้ำาหรบัน้ำ�าฝนมคี่าเท่ากับ 10 ดังแสดงความสมัพนัธร์ูปแบบกราฟในรูปท ี่ 4.1

รูปที่ 4.1 แสดงความสมัพนัธข์องค่าD และ 18 O เสน้ AB เป็นเสน้น้ำ�าบรรยากาศเฉล่ียทัว่โลก(the

average global meteoric water line) เสน้ CD เป็นเสน้ของการระเหย(evaporation line) เสน้ EF เป็นเสน้แสดงสว่นประกอบไอโซโทปของน้ำ�ารอ้นจากระบบความรอ้นใต้พภิพ(ดัดแปลงจาก Payne, 1983) หลักการส้ำาคัญของการวเิคราะหส์ว่นประกอบไอโซโทปเสถียรเพื่อการศึกษา แหล่งน้ำ�า คือโดยทัว่ไป

ค่า 18 O และ D จะต่างกันในน้ำ�าที่ มตี้นก้ำาเนิดต่างกัน โดยที่ค่า D และ

18 O ของน้ำ�าฝนจะขึ�นอยูก่ับสถาน ที่ที่น้ำ�าฝนตกลงมา น้ำ�าฝนที่ตกลงมาในแผ่นดินที่ไกลจากมหาสมุทรและมรีะดับความสงูของภมูปิระเทศ มาก จะมคี่า D และ

18 O น้อยกวา่ในน้ำ�าฝนที่ตกลงมาในบรเิวณใกล้ชายฝ่ังซึ่งงมอีากาศรอ้นกวา่ D เชน่ น้ำ�าฝนใน บรเิวณกรุงเทพมหานคร ระหวา่งป ี ค.ศ. 1968-1987 มค่ีา เฉล่ีย

18 O เท่ากับ -6.60 ‰ และค่า D เท่ากับ -43.6 ‰ สว่นน้ำ�าฝนที่หลวงพระบาง สาธารณรฐัประชาธปิไตยประชา ชนลาว

18 O มคี่า - 7.50 ‰ และ D มคี่า - 50 ‰ จะเหน็วา่ 18 O และ D ในน้ำ�าฝนที่หลวงพระบางมคี่าต้ำ่ากวา่น้ำ�าฝนใน

กรุงเทพมหานคร ทั�งนี�เน่ืองจากระยะทางหา่งจากทะเลของหลวงพระบางมากกวา่ กรุงเทพมหานคร และพื�นที่มคีวามสงู

มากกวา่( ฉลอง บวัผัน, 2541) ดังนั�น 18 O จะใชใ้นการหาต้นก้ำาเนิดของน้ำ�าที่มาจากที่ต่างๆกันได้เป็นอยา่งดี ส้ำาหรบัขบวนการที่จะท้ำาให ้ D และ 18 O ของน้ำ�าเปล่ียนแปลง มอีย ู่ 2 อยา่ง คือ ขบวนการระเหย และความรอ้นที่

เกิดจากหนิละลาย ภายในโลก ขบวนการระเหยจะท้ำา ให ้ D และ 18 O ในน้ำ�ามคี่ามากขึ�น

4.2 ไอโซโทปกัมมนัตรงัส(ีradioactive isotope)

ทรเิทียม(3 H) ทรเิทียมเป็นไอโซโทปกัมมนัตรงัสขีองไฮโดรเจนที่มรีะยะเวลาการสลายตัวครึง่ชวีติเท่ากับ 12.43 ปี ปรมิาณ

ความเขม้ขน้ของทรเิทียมจะแสดงในรูปอัตราสว่นไอโซโทปมหีน่วยเป็น TU(tritium unit) 1 หน่วย TU มี ค่าอัตราสว่นไอโซโทป เท่ากับ 10-18 (Payne, 1983)

ทรเิทียมที่พบในน้ำ�าฝนสามารถเกิดขึ�นจาก 2 แหล่ง แหล่งแรกเกิดจากปฏิกรยิาของนิวตรอนจากรงัสคีอสมกิกับ

อะตอมของธาตไุนโตรเจนในชั �นบรรยากาศสว่นบน(14N + n 3H + 12C) ซึ่งความเขน้ขน้ของทริ เทียมที่พบจะมคี่าแตกต่างกันตั�งแต ่ 5 ถึง 20 TU ขึ�นกับต้ำาแหน่งทางภมูศิาสตร ์ แหล่งท่ีสองเกิดจากมนุษยท์้ำาขึ�น

จากการทดลองระเบดินิวเคลียรตั์�งแต่ป ี ค.ศ.1952 ในป ี ค.ศ.1962-1963 มกีารทดลองมากที่สดุท้ำาให้ ปรมิาณความเขม้ขน้ของทรเิทียมในซกีโลกด้านเหนือเพิม่ขึ�นมากกวา่ปรมิาณทรเิทียมท่ีได้จากแหล่งแรกถึง 3 เท่าสว่นใน

ซกีโลกด้านใต้จะมมีากกวา่แค ่ 2 เท่าเนื่องจากการทดลองระเบดินิวเคลียรส์ว่นใหญ่จะอยูใ่นซกีโลกด้านเหนือ ซึ่งต่อมาถึง แมก้ารทดลองดังกล่าวจะลดลงท้ำาใหค้วามเขม้ขน้ของทรเิทียมลดลงตามไปด้วย แต่ก็ยงัมรีะดับที่มากกวา่ก่อนการทดลอง

ระเบดินิวเคลียรอ์ยูม่าก ซึ่งปรมิาณทรเิทียมในน้ำ�าฝนก่อนการทดลองนิวเคลียรอ์ยูใ่นชว่ง 2-8 TU ตั�งแต่ป ี ค.ศ. 1961 เป็นต้นมาทบวงการพลังงานปรมณูระหวา่งประเทศ(IAEA)รว่มกับองค์การอุตนิุยมวทิยาโลก(WMO) ได้ท้ำาการวเิคราะหตั์วอยา่งน้ำ�าเพื่อติดตามการเปล่ียนแปลงความเขม้ขน้ของทรเิทียมจากสถานีตรวจวดั

ทัว่โลกกวา่ 100 สถานี ดังรูป 4.2 ซึ่งขอ้มูลจากการวเิคราะหจ์ะแสดงถึงแนวโน้มของการเปล่ียนแปลงของทรเิทียม ในน้ำ�าฝนในแต่ละบรเิวณ ส้ำาหรบัประเทศไทยได้มกีารตรวจวดัหาปรมิาณทรเิทียมในน้ำ�าฝนรายเดือนบรเิวณกรุงเทพมหานคร

ดังแสดงในรูป 4.3 จะเหน็ได้วา่ จะมปีรมิาณทรเิทียม สงูที่สดุใน ค.ศ. I964 หลังจากนั�นปรมิาณทรเิทียม ค่อย ๆ ลดลง อยา่งไรก็ตามปรมิาณทรเิทียม ในน้ำ�าฝนจะแตกต่างกันออกไป ตามสถานที่ตั �งและฤดกูา ล ดังนั�นส้ำาหรบัน้ำ�าบาดาลที่พบ

ทรเิทียม มปีรมิาณสงู แสดงวา่สว่นหน่ึงของน้ำ�าบาดาลจะเขา้มาหลังจากที่มกีารทดลองนิวเคลียร์ มหีลายกรณีที่สามารถใช้ทริเทียมเป็นตัวบง่ชี�ถึงน้ำ�าที่ไหลเขา้ไปเพิม่เติมยงัแหล่งน้ำ�าบาดาลภายหลังจากการเริม่ต้นทดลองนิวเคลียร์

รูป 4.2 สถานีอุตนิุยมเครอืขา่ยติดตามวเิคราะหส์ว่นประกอบไอโซโทปในน้ำ�าฝน(ดัดแปลงจาก

Payne, 1983)

รูป 4.3 ปรมิาณทรเิทียมในน้ำ�าฝนรายเดือนบรเิวณกรุงเทพมหานคร (ดัดแปลงจาก ฉลอง บวัผัน, 2541)

คารบ์อน-14(C-14)คารบ์อน-14 เป็นไอโซโทปกัมมนัตภาพรงัสอีีกชนิดหน่ึงมีระยะเวลาการสลายตัวครึง่ชวีติของ(Half -

life) เท่ากับ 5,730 ป ี ความเขม้ขน้ของคารบ์อน-14 จะแสดงเป็นเปอรเ์ซนต์ของคารบ์อน-14 ใน

ปัจจุบนั(pmc, percent of modern carbon) ค่าคารบ์อน-14 ในปัจจุบนัจะหมายถึงปี ค.ศ. 1950 ไอโซโทปของคารบ์อน-14 สามารถเกิดขึ�นในธรรมชาติจากปฏิกิรยิาของนิวตรอนจากรงัสคีอสมคิกับ

อะตอมของธาตไุนโตรเจนในชั�นบรรยากาศสว่นบน(14N + n 14C + 1H) คารบ์อน-14 จะถกูออกซิไดซเ์ป็นคารบ์อนไดออกไซด์(CO2)และกลายเป็นแหล่งก้ำาเนิดคารบ์อนไดออกไซด์ในชั�นบรรยากาศของโลกต่อไป เนื่องจากคารบ์อน-14 ไมไ่ด้เป็นสว่นประกอบไอโซโทปของโมเลกลุน้ำ�าแต่จะปรากฏในน้ำ�าในรูปแบบสารละลายอนินทรยี์

หลายชนิด ดังนั�นการค้ำานวณอายุของน้ำ�าบาดาลจะต้องอาศัยการวเิคราะหค์ณุสมบติัทางเคมทีี่สมบูรณ์

การใชไ้อโซโทปเทคนิคในการศึ กษาวจิยัเกี่ยวกับแหล่งน้ำ�าบาดาล ส้ำา หรบั Stable lsotopes จะใชห้า ต้นก้ำาเนิดหรอืบรเิวณที่น้ำ�าจะไหลเพิม่เติมเขา้ไปยงัแหล่งกักเก็บ สว่ น 3H และ คารบ์อน-14 จะใชใ้นการศึกษาถึงกลไก

การไหล และปรมิาณน้ำ�าส้ำา รองของแหล่งน้ำ�าบาดาล ทิศทาง และอัตราการไหลของน้ำ�าบาดาล และเป็นขอ้มูลที่น้ำาไปหาการเคล่ือนตัวหรอืการแผ่ขยายของสารที่ปะปนเขา้ไปในแหล่งน้ำ�า นอกจากนี�ยงัสามารถทราบถึงบรเิวณที่น้ำ�าไหลเขา้ไปเพิม่เติมในแหล่งกักเก็บและกลไกการไหลซมึของน้ำ�าฝนลง ใต้ดิน ขอ้มูลเหล่านี�มคีวามส้ำาคัญส้ำาหรบัการวางแผนพฒันาและจดัการแหล่ง

น้ำ�าบาดาล ตลอดจนการป้องกันแก้ไขวกิฤตการณ์น้ำ�าบาดาลที่จะเกิดขึ�น

43. การเก็บตัวอยา่งน้ำ�าส้ำาหรบัวเิคราะหไ์อโซโทปและเคมี

การเก็บตัวอยา่งน้ำ�าเป็นการเก็บจากบอ่น้ำ�าบาดาล อ่างเก็บน้ำ�าและบงึต่างๆในบรเิวณที่ศึกษา การเลือกบอ่น้ำ�าบาดาลที่

จะเก็บตัวอยา่งขึ�นอยูก่ับชั�นน้ำ�าบาดาลและการกระจายตัวออกไปในบรเิวณที่คาดวา่จะเป็นแหล่งรบัน้ำ�าเพิม่เติม โดยแบง่การ

เก็บน้ำ�าตัวอยา่งออกเป็นการเก็บตัวอยา่งน้ำ�าเพื่อวเิคราะหห์าออกซเิจน-18 และ

ดิวทีเรยีม จ้ำานวน 31 ตัว อยา่ง คารบ์อน-14 จ้ำานวน 23 ตัวอยา่ง ทรเิทียม จ้ำานวน 17 ตัวอยา่ง รายละเอียดสถานที่เก็บตัวอยา่งแสดงไวใ้นภาค ผนวก นอกจากการเก็บตัวอยา่งน้ำ�า เพื่อวเิคราะหไ์อโซโทปแล้ว ในขณะเดียวกันได้เก็บตัวอยา่งเพื่อวเิคราะหท์างกายภาพและเคมดี้วย

วธิเีก็บตัวอยา่งน้ำ�าเพื่อวเิคราะห ์ทรเิทียมและไอโซโทปเสถียร

การเก็บตัวอยา่งน้ำ�าบาดาลส้ำาหรบัวเิคราะหห์าทรเิทียมจากบอ่น้ำ�าบาดาลมวีธิกีารเก็บง่าย คือ สบูน้ำ�าทิ�งไว้

ระยะหนึ่ง แล้วเก็บน้ำ�าใสล่งในขวดแก้วที่แหง้และสะอาดปรมิาณอยา่งน้อย 2 ลิตร ขวดเก็บตัวอยา่ง น้ำ�า ควรเป็นขวดแก้วมคีณุสมบติัในการซมึผ่านของอากาศต้ำ่า เพื่อป้องกันการปนเปื� อนๆ ระหวา่งตัวอยา่งกับสิง่แวดล้อม ปิดฝาใหส้ นิท บนัทึกรายละเอียดบอ่น้ำ�าบ าดาล ณ วนัที่เ ก็บตัวอยา่ง แล้วส่งหอ้งวเิคราะ ห ์

ส้ำาหรบัการเก็บตัวอยา่งน้ำ�าบ าดาลเพื่อวเิคราะห์Stable Isotopes จะเก็บใสข่วดแก้ว ขนาด 20 มลิลิลิตร ปิดฝาใหแ้น่น ตัวอยา่งน้ำ�าท่ีวเิคราะหห์าไอโซโทปเสถียรสง่ไปวเิคราะหย์งัสถาบนัวทิยาศาตรน์ิวเคลียรแ์ละ

เทคโนโลยีแ่หง่ปากีสถาน กรุงอิสลามาบดั ประเทศปากีสถาน สว่นการวเิคราะหค์ารบ์อน-14 และทรเิทียมวเิคราะหท์ี่ส้ำานั กงานพลังงานปรมาณูเพื่อสนัติ กรุงเทพมหานคร ซึ่งได้รบัความชว่ยเหลือในการจดัตั �งหอ้งวเิคราะหจ์ากทบวงการ

พลังงานปรมาณูระหวา่งระเทศ ภายใต้โครงการความรว่มมอืทางวชิาการระหวา่งทบวงการฯ กรมทรพัยากรธรณี และ ส้ำานักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสนัติ วธิกีารวเิคราะหท์รเิทียมใช้เทคนิควธิเีพิม่ความเขน้ขน้ทรเิทียมในตัวอยา่งน้ำ�าด้วยเทคนิ

คอิเลคโตรไลซสิ(Electrolysis Techniques) สว่นการวเิคราะหค์ณุภาพน้ำ�าทางกายภาพและเคมี วเิคราะหท์ี่กองวเิคราะห ์กรมทรพัยากรธรณี

วธิกีารเก็บตัวอยา่งน้ำ�าบาดาลเพื่อวเิคราะหค์ารบ์อน-14

การเก็บตัวอยา่งน้ำ�า บาดาล เพื่อวเิคราะห ์ คารบ์อน-14 จะมขีั �นตอนการเก็บตัวอยา่งที่ค่อนขา้งยุง่ยากกวา่ไอโซโทปตัวอ่ื นๆ ขั�นตอนการเก็บตัวอยา่ง สรุปได้ดังนี�

(1) เตรยีมภาชนะพลาสติกท่ีมคีวามจุอยา่งน้อย 20 ลิตร ล้างด้วยกรดไฮโดรคลอรคิ ค วามเขม้ขน้ 5% ใชแ้ก๊สไนโตรเจนพน่ลงไปในภาชนะพลาสติ ก เพื่อไล่อากาศออก ปิดภาชนะใหแ้น่น

(2) เก็บตัวอยา่งน้ำ�าใส่ ลงในภาชนะพลาสติก โดยใหม้ทีี่วา่งเหลือประมาณ 1 ลิต ร ก่อนเก็บตัวอยา่งน้ำ�าควรจะสบู น้ำ�าทิ�งในระยะเวลาหนึ่งก่อน และน้ำ�าจะต้องใสไมม่ตีะกอนอยูด่้วย ถ้ามตีะกอนอยูจ่ะต้องกรองออกเสยีก่อน

(3) เติมสารละลายแบเรยีมคลอไรด ์ (Bacl ) จ้ำานวน 50 มลิลิลิตร หรอืสารละลายสตรอนเซยีม จ้ำานวน 100 มลิลิลิตร ลงในตัวอยา่งน้ำ�า

(4) เติมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด ์ (NaoH) จ้ำานวน 50 มลิลิลิตร ลงในตัวอยา่งน้ำ�า

(5) เติมสารละลาย Manifloc จ้ำานวน 5 มลิลิลิตร ลงในภาชนะเก็บตัวอยา่งน้ำ�า

(6) เขยา่ภาชนะพลาสติกเก็บตัวอยา่งน้ำ�าเพื่อใหส้ารละลายต่าง ๆ เขา้กัน

(7) วดัค่าความเป็นกรด- ด่าง (pH) ของน้ำ�า ถ้า pH มคี่าเกิน 9.O แสดงวา่มกีารตกตะกอนของสาร คารบ์อเนตสมบูรณ์ ในกรณีที่มคี่า pH น้อยกวา่ 9.O ใหเ้ติมสารละลายโซเด่ียมไฮดรอกไซด์ ลงไปอีก 20 มลิลิลิตร

เขยา่ใหเ้ขา้กันแล้ววดัค่า pH ท้ำาเชน่นี�ซ้ำ�าอีกจนกระทัง่ค่า pH สงูเกินกวา่ 9.O(8) ตั�งทิ�ง ไวอ้ยา่งน้อย 2 ชัว่โมง (หรอืทิ�งไวค้้างคืนยิง่ดี) แล้ววดั ค่า pH ซ้ำ�าอีกครั�ง(9) รนิเอาน้ำ�าที่ใสออกใหเ้หลือแต่ตะกอน(10) ถ่ายตะกอนลงในขวดเก็บตัวอยา่งน้ำ�าปิดฝาใหส้นิท เพื่อสง่ไปวเิคราะหใ์นหอ้งทดลองต่อไป