ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2010, том 52, № 1, с. 7-16
УДК 551.49
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ В РАЙОНЕ ОЗ. КАРАЧАЙ (ЧЕЛЯБИНСКАЯ ОБЛАСТЬ) © 2010 г. Н. П. Лаверов, В. И. Величкин, В. И. Мальковский, Н. Н. Тарасов, Ю. П. Диков
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 Поступила в редакцию 16.09.2009 г.
Рассматривается процесс распространения радиоактивного загрязнения подземной среды в районе оз. Карачай. Отмечается, что сложность процесса обусловливает необходимость комплексного подхода к его исследованию. Приводится краткий анализ источника радиоактивного загрязнения подземной среды. Рассматривается карта тектонических нарушений подземной среды для определения направлений преобладающего движения загрязненных подземных вод. Для структурно-геологического анализа транспортных свойств приповерхностного водоносного горизонта, по которому преимущественно осуществляется движение загрязненных подземных вод, использовались методы фотометрии в наблюдательных скважинах. Эти исследования проводились в комплексе с гидрогеохимическим каротажем, позволяющим оценить динамику распространения загрязнения подземной среды и распределение степени загрязнения подземных вод по глубине. Значительное внимание уделяется коллоидной форме переноса радионуклидов (в виде радиоколлоида). Для ее исследования в районе оз. Карачай отбирались пробы подземных вод с разных глубин, соответствующих различным уровням загрязнения. Интервалы глубин отбора проб определялись на основании данных гидрогеохимического каротажа. Для анализа переноса радионуклидов коллоидными частицами разных размеров применялись методы ультрафильтрации с использованием мембран с определенными диаметрами пор в сочетании с методами гамма-спектроскопии. Исследование локального элементного состава поверхности частиц радиоколлоида проводилось методом Оже-спектроско-пии. Изучение химического состава и структуры частиц радиоколлоида проводилось методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с последовательным травлением поверхности исследуемых коллоидных частиц ионами аргона на заданную глубину. На основании полученных данных отмечается неоднородность частиц радиоколлоида и наличие на поверхности неорганических частиц органической оболочки, состоящей из гуминовых и фульвокислот и техногенных органических соединений.
ВВЕДЕНИЕ
На ранних этапах развития атомной промышленности в мире и в бывшем СССР решались задачи скорейшего создания ядерного оружия. В связи с этим вопросам обеспечения радиационной безопасности при обращении с радиоактивными отходами (РАО) не уделялось должного внимания. Использовавшиеся в то время способы изоляции РАО от экосферы не позволяли на должном уровне предотвращать их опасное воздействие на человека и среду его обитания. Вследствие несовершенства технологий по обращению с РАО и аварийных ситуаций на некоторых предприятиях возникли обширные территории радиационно-химического загрязнения почв, подпочвенных пород и содержащихся в них подземных вод, которые также превратились в источники радиоактивного загрязнения подземной среды (Penrose et al, 1990; Рыбальченко
Адрес для переписки: В.И. Мальковский. E-mail: malk@igem.ru
и др., 1994; McCarthy et al, 1998; Алексахин и др., 2007; Gee et al., 2007).
Комплексное исследование миграции радио -нуклидов на участках радиоактивного загрязнения имеет большое значение, поскольку оценка скорости миграции радиоактивных токсикантов в подземной среде на основе теоретического моделирования или лабораторных экспериментов может привести к серьезным ошибкам. В ходе наблюдений, проведенных на многих участках радиоактивных загрязнений подземной среды, установлено, что истинная скорость миграции радионуклидов значительно превышает оценки, полученные при теоретическом моделировании и в лабораторных экспериментах. Это объясняется наличием в загрязненных подземных водах коллоидных форм переноса радионуклидов (Nyhan et al., 1985; Penrose etal, 1990; McCarthy et al, 1998; Zachara et al, 2002).
В то же время выяснилось, что специфика условий распространения радиоактивного загрязнения в геологической среде связана не только с формами
переноса радионуклидов, но и с составом, структурой и гидрогеологическими характеристиками пород, а также составом и свойствами подземных вод. Поэтому на участках радиоактивного загрязнения геологической среды представляется необходимым проведение комплексных геолого-гидрогеохимических исследований. Результаты подобного исследования имеют большое значение как для прогнозов распространения загрязнения на конкретных участках, так и для определения общих закономерностей миграции радионуклидов в подземной среде.
В статье приведены результаты комплексного геологического, геохимического и гидрогеологического исследования условий миграции радионуклидов в подземном пространстве на участке интенсивного радиоактивного загрязнения подземной среды в районе оз. Карачай (Челябинская обл.).
ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
В районе деятельности крупнейшего в России радиохимического предприятия — Производственного объединения (ПО) "Маяк" — в качестве открытого хранилища жидких радиоактивных отходов (ЖРО) с 1951 г. используется бессточное озеро Карачай, расположенное на водоразделе рек Теча и Мишеляк. ЖРО представляют собой высокоминерализованные радиоактивные водные растворы, плотность которых достигает 1.08 г/см3 (Дрожко и др., 1995). Под действием силы тяжести эти высокоплотные растворы проникают в слой донных илов озера, взаимодействуют с ними и затем просачиваются в подземные воды, растекаясь вдоль нижней водоупорной границы верхнего водоносного горизонта. В результате к настоящему времени вокруг оз. Карачай образовался ореол радиоактивных на-триево-нитратных вод площадью около 20 км2.
Исходя из того, что нитрат в этих водах нейтрален по отношению к вмещающим породам, граница ореола загрязнения в водах водоносного горизонта определялась в плановой проекции как линия на горизонтальной плоскости, вдоль которой средняя по мощности водоносного горизонта концентрация нитрат-иона не превышала 0.045 г/л — предельно допустимого содержания
МО- в водах. За период использования оз. Кара-чай в качестве хранилища ЖРО в подземные воды из озера поступило приблизительно 3.5 х 106 м3 растворов, содержавших около 1.4 х 108 кг нитрат-иона. Общая р -активность ореола загрязненных вод оценивается в 9 х 105 Ки (Дрожко и др., 1995).
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ И СТРОЕНИЕ ОРЕОЛА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Санитарно-защитная зона ПО "Маяк", на территории которой находится оз. Карачай, расположена на восточном склоне Уральского горного хребта. Эта территория сложена толщей осадочно-вулканогенных пород раннепалеозойского возраста. В ее составе резко преобладают вулканиты анде-зито-базальтового состава (афировые и порфиро-видные лавы, туфолавы и туфы), которые в целом характеризуются высокой, но неравномерно распределенной тектонической нарушенностью (Ве-личкин и др., 2008). В то же время в ненарушенном состоянии эти породы обладают малой пористостью (порядка десятых долей процента) и низкой проницаемостью.
В среднем мезозое толща рассматриваемых вулканитов подверглась интенсивному выветриванию, в результате которого верхняя часть геологического разреза представлена выветрелыми анде-зито-базальтами мощностью от нескольких метров до 100 м и более и частично перекрыта кайнозойскими осадками и почвенным слоем. В профилях выветривания, характеризующихся максимальной мощностью, выделяются три зоны (сверху вниз): 1) зона развития глинистых минералов, образовавшихся в результате глубокой гипергенной переработки исходных вулканитов; 2) зона начальных глинистых изменений, которая представлена вы-ветрелыми пористыми и трещиноватыми останцами андезито-базальтов, находящимися среди массы глинистых минералов гипергенного происхождения; и 3) зона относительно свежих вулканитов, разбитых сетью сближенных трещин гипергенного и тектонического происхождения.
Проницаемость верхней зоны невелика. В пределах двух нижних зон, обладающих значительно большей проницаемостью, располагается водоносный горизонт, в котором в основном сосредоточен поток подземных вод, переносящий радиоактивные и химические загрязнители в геологической среде района оз. Карачай. Средняя скорость течения вод составляет приблизительно 0.2—0.7 м/сут. (Дрожко и др., 1996). Проницаемость пород водоносного горизонта (особенно в нижней его зоне) существенно зависит от наличия разрывных нарушений и вследствие этого неоднородна по вертикали, резко увеличиваясь в интервалах повышенной на-рушенности. Снизу водоносный горизонт ограничен слабопроницаемыми плотными вулканическими породами, в которых миграция подземных вод осуществляется исключительно вдоль крупных разрывов и зон трещиноватости. В узлах пересечения указанных тектонических элементов располагаются желобообразые впадины, заполненные интенсивно нарушенными породами с резко повышенной проницаемостью (Величкин и др., 2008). Вследствие
этого такие впадины играют роль дополнительных дренирущих структур, вдоль которых подземные воды в водоносном горизонте движутся с повышенными скоростями. В значительной степени этим определяется наблюдаемая форма южной части ореола загрязненных подземных вод (фиг 1).
МОНИТОРИНГ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Распространение загрязненных подземных вод в районе оз. Карачай определяется преимущественно на основании результатов анализа водных проб и гидрогеохимического каротажа (ГХК) наблюдательных скважин, пробуренных на загрязненном участке и прилегающих территориях.
ГХК наблюдательных скважин в районе оз. Ка-рачай осуществляется разработанным в ИГЕМ РАН многоканальным зондом, который представляет собой портативную автоматизированную измерительную систему, включающую скважинный зонд, наземный блок, регистратор каротажей и датчик перемещения кабель-троса (датчик глубины).
В измерительную систему входят датчики для о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.