18 декабря 2014

Оценка границ распространения ЖРО в пределах горизонтов глубинного захоронения опытно-промышленного полигона «ГНЦ НИИАР»

НИИАР
Промплощадка ОАО "ГНЦ НИИАР"

На основе комплексных гидрохимических исследований с использованием природного микроэлемента Cs и хлор-иона в качестве индикатора определены современное состояние ОПП ОАО «ГНЦ НИИАР» захоронения ЖРО, границы и скорость распространения закачиваемых вод. Установлено существование в районе ОПП зоны, по которому происходит современное поступление глубинных вод с повышенным содержанием природного цезия. 

Опытно-промышленный полигон (ОПП) захоронения ЖРО низкой и средней активности исследовательских установок ОАО «ГНЦ НИИАР» расположен непосредственно на территории промплощадки. Удельная активность ЖРО до 1 • 10-5 Ки/л, в составе нуклидов изотопы цезия, стронция, рутения, циркония, редкоземельных элементов. В радиоактивных отходах содержатся фосфаты, оксалаты, сульфокислоты, нитраты, масла. Сухой остаток до 3,6 г/л.  В связи с существованием некоторых противоречий в заключениях различных специалистов, в целях объективной оценки и прогноза экологически безопасной эксплуатации ОПП ОАО «ГНЦ НИИАР»  была предпринята попытка использовать данные макро- и микрохимических исследований для определения степени проникновения ЖРО в коллекторские горизонты и оценки границ распространения их по проницаемым горизонтам III и IV.

Обязательным условием для безопасного глубинного захоронения ЖРО является хорошая изолированность пластов-коллекторов от верхних водоносных горизонтов, которая достигается благодаря наличию региональных водоупорных пластов, залегающих выше пластов-коллекторов отходов, наличию в пластах-коллекторах минералов с хорошими сорбционными свойствами к цезию, стронцию и другим радионуклидам,  а также отсутствие тектонических нарушений или других «гидрогеологических окон» в виде карстовых зон или перерывов в осадконакоплении в виде нарушений сплошности пластов.

Результатами первых геолого-разведочных работ при проектировании ОПП была показана перспективность района для захоронения ЖРО. В процессе этих работ в разрезе осадочной толщи было выделено 7 проницаемых зон, в качестве перспективных для захоронения отходов. Такие зоны были выделены в отложениях нижнего карбона - проницаемые зоны III и IV, залегающие на глубинах соответственно 1440-1500 м и 1130-1410 м и перекрытые верейским горизонтом. Выше верейского горизонта залегают проницаемые зоны V и VI, так же содержащие минерализованные воды и выполняющие роль буферного горизонта. От неглубоко залегающих горизонтов пресных вод проницаемые зоны V и VI отделены мощной толщей слабопроницаемых  пермских отложений. Проницаемая зона III сложена слабосцементированными глинистыми песчаниками с прослоями глин и алевролитов яснополянского горизонта нижнего карбона. Проницаемая зона IV представлена известняками и доломитами  окско-серпуховского и башкирского горизонтов.

В проницаемых зонах III и IV распространены хлоридно-натриевые рассолы общей минерализацией 205-260 г/л, в состав которых входят также кальций, магний, калий, сульфат и хлор-ионы, микрокомпоненты. Естественная скорость и направление движения подземных вод не оценена, но предполагается, что скорость не превышает сантиметров и десятых долей метра в год и в различные геологические эпохи может иметь разнонаправленный характер.

В качестве основного коллекторского горизонта (пласта-коллектора) для захоронения ЖРО первоначально была принята проницаемая зона III. Через некоторое время,  в связи с зарегистрированной большой скоростью распространения отходов в III зоне,  в качестве основного горизонта в дальнейшем использовалась проницаемая зона IV. 

1 – изолиния концентрации Cs, мкг/л; 2-3 – наблюдательная скважина и ее номер: III-го (2), IV-го (3), водоносных горизонтов; 4 – нагнетательная скважина; 5 – река; 6 – населенные пункты; 7 – дороги; 8 – линия разреза; 9 – граница горного отвода.

Рис.1 Распределение цезия (Cs) в подземных водах III пласта –коллектора  (водоносных горизонтов) в районе ОПП НИИАР.

 

1 – изолиния концентрации Cs, мкг/л; 2 – водозаборная скважина и ее номер; 3 – наблюдательная скважина и ее номер; 4 – река и место отбора пробы, цифры – шифр пробы и концентрация Cs, мкг/л; 5 – населенные пункты; 6 – дороги; 7 – линия разреза; 8 – предполагаемые тектоническое нарушение и его номер на карте; 9 – граница горного отвода ОПП НИИАР; 10 – граница подземных потоков инфильтрационного питания, внутри круга – номер потока; 11 – участок поступления глубинных вод и его номер.

Распределение цезия (Cs) в подземных водах верхнего гидрогеологического этажа в районе г. Димитровграда.

 

В настоящей работе предложена оценка границ ореола распространения ЖРО на  основе изучения распределения по водоносному горизонту глубинного захоронения валовой концентрации цезия и хлора, определенных масс-спектральным способом в пробах воды из скважин ОПП. На рис.1 и 2 показано распределения валового содержания цезия-элемента в пласте-коллекторе III по площади и в разрезе.

1 – изолиния концентрации Cs, мкг/л; 2 – скважина, цифры: вверху – номер скважины, внизу – глубина скважины, м., справа – концентрация Cs, мкг/л; 3 – нагнетательная скважина и интервал перфорации; 4 – стратиграфическая граница; 5 – водоносные комплексы; 6 – водоупоры; 7–9 – пределы изменения концентрации Cs, мкг/л: менее 3 (7), от 3 до 4 (8) и более 4 (9); 10 –предполагаемые тектонические нарушения.

Рис.2 Распределение концентрации цезия (Cs) в подземных водах глубоких горизонтов в скважинах ОПП НИИАР по разрезу IV – IV.

Приведенные данные иллюстрируют распределение концентрации цезия в глубоких горизонтах, куда закачиваются  ЖРО. На рисунках наблюдается аномальное увеличение концентрации цезия в районах скв. Р11 (4.86 мкг/л) в пределах горизонта IV и скв. Р20 (6.94 мкг/л) в пределах горизонта V. Аномалия в районе скв.Р11, по-видимому, свидетельствует о преобладающей роли радиоактивного изотопа Cs-137 в составе суммарного цезия. Причем, локальность и небольшие размеры аномалии позволяют считать, что в настоящее время ореол загрязнения рассолов радиоактивными элементами не выходит за пределы границ горного отвода. Но вряд ли можно объяснить влиянием закачиваемых ЖРО аномальное повышение концентрации цезия до 7.49 мкг/л) в призабойной части скв. Р27, поскольку в этом районе отсутствуют нагнетательные скважины. Поэтому вероятно предположение о возможности поступления природного цезия в этом районе с глубинными водами.

Для определения степени проникновения ЖРО в коллекторские горизонты и оценки границ распространения их по проницаемым горизонтам III и IV также можно использовать хлор-ион, т.к. он обладает высокой геохимической подвижностью и не образует труднорастворимых мине­ралов, очень редко адсорбируется коллоидными системами и не накапливается биогенным путем [1].

На рис.3 показано распределение хлор-иона в водоносном горизонте III. Поскольку хлор входит в состав ЖРО, закачиваемых в подземное хранилище, мы попытались составить прогноз дальней­шего распространения ореола хлора по водоносному горизонту III и оценить возможность перетока закачиваемых вод в пределы других смежных горизонтов. Для этого вначале надо знать первоначальную концентрацию хлора в природных рассолах в районе ОПП и следить за его изменением в ходе закачки ЖРО с существенно меньшим содержанием хлор-иона в его составе.

1 – изолиния концентрации Cl, г/л; 2 – наблюдательные скважины и ее номер, фильтры установлены на горизонты: III (а), IV (б), V (в), VI (г); 3 – нагнетательная скважина и ее номер; 4-5 – пределы изменения концентрации Cl, г/л: менее 120 (4) и более 120 (5); 6 – река; 7 – дорога; 8 – населенный пункт; 9 – линия разреза; 10 –предполагаемые тектоническое нарушение; 11 – граница горного отвода ОПП НИИАР; 12 – направление распространения ореола Cl-min; 13 – фронт распространения ореола Cl-min.

Рис. 3 Прогнозная карта распространения закачиваемых жидких радиоактивных отходов в пластовых водах III-го (пласта-коллектора) водоносного комплекса в районе ОПП НИИАР.

Первоначальная концентрация хлора в рассолах составляет около 190 г/л. При закачке ЖРО, в составе которых  содержание хлор-иона не превышает 137 мг/л, содержание хлора в рассолах должно умень­шаться. При этом по характеру дальнейших изменений конфигурации изолиний можно су­дить о распространении ореола Cl- в пределах водоносного горизонта и по разрезу. Приведенная на рис.3 схема изолиний иллюстрирует проникновение ЖРО с низким содержа­нием хлора сначала в юго-западном направлении от нагнетательных скважин, а от района наблюдательных скважин Р19 и Р23 – в западном и южном направлениях.

Если западное направление распространения ореола можно объяснить существованием регионального гидравлического уклона в сторону региональной дрены – р.Волги, то «заток» части ореола в южном направлении можно объяснить существованием локального гидравлического уклона в сторону Черемшанского залива Куйбышевского вдхр. Следует отметить, что изолинии концентрации хлора более 130 г/л остаются «открытыми» с западной стороны, что свидетельствует о продолжении влияния зоны с минимальными значениями Сl-в указанном направлении за пределами границ горного отвода полигона. Судя по картине изолиний на рис.3, ширина фронта распространения ореола в настоящее время составляет около 6-7 км.

В связи с отсутствием других наблюдательных скважин западнее скв. Р22, Р24 и Р25, а также южнее скв. Р32 можно составить приблизительный прогноз возможности распространения понижающего ореола проникновения хлор-иона в западном и южном направлениях.  Для этого обратимся к схеме изолиний Cl- на рис.3, которая показывает постепенное разбавление рассолов при закачке ЖРО в нагнетательную скважину Н-3.

На рис.4 показаны графики изменения расстояния (δL) между изолиниями Cl- при удалении от нагнетательной скважины Н3 в западном и южном направлениях.

Рис.4. Изменение расстояния δL между изолиниями в ореоле рассеяния хлор-иона. 1 – южное направление; 2 – западное направление

Как видно на графиках, если расстояния δL между изолиниями Cl- непосредственно вблизи нагнетательной скважины весьма малы, то в западном направлении величина δL между изолиниями Cl-  - 110 и 115 г/л резко увеличивается, свидетельствуя о скачкообразном распространении ЖРО с минимальными содержаниями хлор-иона, по-видимому, вследствие хорошей проницаемости пласта-коллектора на этом участке. Такой же резкий скачок δL в южном направлении наблюдается между изолиниями Cl-  -110 и 120. 

Процессы растекания ЖРО с низким содержанием хлор-иона по пласту-коллектору III показаны на рис.5, иллюстрирующим изменения расстояния до изолиний от нагнетательной скважины в западном и южном направлениях.

Рис.5. Прогнозные графики распространения ореола ЖРО (водной составляющей) с низкими содержаниями хлор-иона по коллекторскому пласту III (Зю-загрязнение в южном направлении, Ззап- загрязнение в западном направлении)

Как следует из графиков, в непосредственной близости от нагнетательной скважины, распространение ореола Cl- происходит равномерно во всех направлениях, о чем свидетельствует совпадение графиков на расстоянии до 1 км (участок 1). Далее на протяжении от 1 до 7 км (участок 2 до района скважин Р19 и Р23) происходит скачкообразное распространение ореола Cl- , причем в южном направлении этот «скачок» достигает 12 км. Участки 3зап и 3ю графиков свидетельствуют о равномерном распространении фронта ореола Cl- в обоих направлениях, но с различной скоростью: в западном направлении быстрее, а в южном – медленнее. Это позволяет путем экстраполирования определить предельные расстояния распространения ореола Cl- (изолиния предельной – первоначальной концентрации Cl-, равной 190 г/л): в настоящее время в западном направлении оно составляет около 31 км, а в южном – около 16 км. Поскольку со времени ввода в эксплуатацию ОПП прошло 33 года, можно приблизительно определить скорость распространения ореола загрязнения рассольных вод  коллекторского пласта: в западном направлении она составила около 0.94 км в год, а в южном – около 0.5 км.  Полученные результаты хорошо коррелируют с результатами  исследований /3,4/, где показано, что направление распространения ореолов ЖРО в III и IV- горизонтах от западного до юго-западного.

Проведенные нами исследования показывают, что за 30 лет эксплуатации полигона захоронения ЖРО границы ореола проникновения вод с минимальным содержанием хлора – потенциального носителя ЖРО (по воде, а не по радиоактивности в скважинах, ограничи- вающих горный отвод,  радионуклиды не обнаружены!) уже вышли за пределы границ горного отвода. Вместе с тем, согласно проведенным во время проектирования объекта расчетам, это расстояние за 50 лет эксплуатации не должно было превышать 900-1400 м, то выявленные обстоятельства, несомненно, требуют более детальных исследований и бурения нескольких глубоких наблюдательных скважин по профилю в западном и южном на­правлениях в сторону берега р.Волги на расстояние до 50 км от ОПП и до 30 км вдоль р.Сосновка. Предложение о бурении дополнительных скважин в направлении запад и юг выдвигалось в других работах и ранее [4].

Город Димитровград

Выводы

  1. Предположено существование в районе горного отвода ОПП ОАО «ГНЦ НИИАР» зоны, по которой происходит современное поступление глубинных вод с повышенным содержанием природного цезия.
  2. Показано, что ореол загрязнения рассолов радиоактивными элементами коллекторского пласта IV не выходит за пределы установленных границ горного отвода.
  3. На основе анализа распространения хлор-иона показано неравномерное распространение ореола опреснения пластовых рассолов коллекторского пласта III, предположительно  в различных направлениях: до 31 км в западном и до 16 км в южном направлениях.
  4. Определена скорость распространения передней границы водной (без радионуклидов !) составляющей закачиваемых ЖРО, которая в западном направлении составила около 0.9 км и около 0.5 км в год – в южном направлении.
  5. На основе полученных результатов исследований даны рекомендации бурения дополнительных наблюдательных скважин по створам западного и южного направления от нагнетательных скважин ОПП ОАО «ГНЦ НИИАР», с целью прослеживания дальнейшего продвижения фронта водной составляющей  ЖРО.

 Литература

  1. Коротков А.И.  Павлов А.Н. Гидрохимический метод в геологии и гидрогеологии. Л.: Недра, 1972. – 182 с.
  2. Рыбальченко А.И. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: Изд АТ. 1994. – 256 с.
  3. Зильберштейн Б.М., Егоров Н.Н. О системе мониторинга геологической среды на полигонах подземного захоронения жидких промышленных отходов. Журнал «Разведка и охрана недр», М; 10.10.2008.
  4. Глинский М.А. Захоронение жидких отходов в глубокие геологические формации. ФГУГП «Гидроспецгеология», Центр МСНР. Хроникально-презентационный сборник о работе. Киров: ООО «А-ПРИНТ», 2011-488 стр. 

Авторы

Соболев Александр Михайлович,
главный эколог

Гремячкин Владимир Анатольевич,
заместитель главного инженера по безопасности

Тихонов Анатолий Иванович,
научный руководитель

ООО «Научно-исследовательский институт
геологических и геоэкологических проблем»