Важнейшим требованием к участкам водоносного пласта недр, выбранным в качестве коллектора для подземной изоляции жидких промышленных (в том числе радиоактивных) отходов, является надежная гидравлическая изоляция от вышележащих водоносных горизонтов и земной поверхности. Теоретически она обеспечивается выдержанной в плане и разрезе водоупорной толщей, перекрывающей пласт-коллектор, наличием над ней буферных горизонтов и приуроченностью пласта к зоне застойного режима. При таких условиях пласт-коллектор обычно содержит высокоминерализованные воды, что также является признаком гидравлической изоляции от верхних горизонтов, содержащих пресные воды. На практике перечисленные выше условия могут быть реализованы не полностью. Между тем надежное глубинное захоронение промышленных отходов – актуальная задача.
История вопроса и постановка задачи
В 1960-х годах ФГУГП «Гидроспецгеология» провело комплексные гидрогеологические исследования на территории Теча-Бродской структуры (Соболевской синклинали), расположенной вблизи ФГУП «ПО «Маяк», для оценки возможности глубинного захоронения жидких промышленных отходов. В плане карбонатная толща Соболевской синклинали ограничена слабопроницаемыми отложениями: с запада сергайдинской и назировской свитами силурийского возраста, с востока – асановской и султановской толщами девонского возраста (рис. 1(1)). Соболевская синклинальная складка сложена неравномерно закарстованными карбонатными породами нижнего и верхнего отделов каменноугольной системы. Мощность карбонатных отложений по данным бурения составляет более 1800 м.
Рис. 1. Геологическое строение Теча-Бродской структуры [1] (общая карта-схема (1) и разрез по линии 1 – 1 (2)):1 – средний отдел каменноугольной системы, аргаяшская свита: известняковые песчаники и гравелиты, мергели, песчанистые известняки;
2 – нижний отдел каменноугольной системы, миасская свита, верхняя подсвита: известняки серые органогенно-обломочные, черные и темно-серые битуминозные, прослои доломитизированных и песчанистых известняков;
3 – нижний отдел каменноугольной системы: лавы, туфы, туфогенные песчаники и алевролиты, прослои песчанистых и глинистых известняков, известняки;
4 – образования верхнего девона – нижнего карбона: порфириты, вулканомиктовые песчаники, алевролиты, конгломераты;
5 – образования силур-девонского возраста: лавы и туфы порфиритов, мраморы, мраморизованные известняки;
6 – нерасчлененные образования палеозойского возраста: сланцы, туфы и лавы порфиритов, мраморы, мраморизованные известняки;
7 – венд, саитовская толща: плагиосланцы, мраморы, кварциты;
8 – интрузивные образования;
9 – разрывные нарушения;
10 – линия разреза
Западное крыло синклинали срезано Аргаяшским надвигом (рис. 1). Вертикальная амплитуда перемещения пластов по оценкам может составлять 1200-1500 м, горизонтальная амплитуда перемещения по надвигу – 8-10 км.
В разрезе толщи распространены пресные (в верхней части) и солоноватые (с минерализацией до 4 г/л в подошве) подземные воды, что обуславливается, по-видимому, относительно высокими скоростями водообмена. Таким образом, Теча-Бродская структура с гидродинамической точки зрения не полностью изолирована от зоны активного водообмена. В соответствии с этим ее карбонатные коллекторы были признаны непригодными для захоронения жидких промышленных отходов.
К этому вопросу вернулись в 2007 году в связи с остротой проблемы утилизации и хранения жидких промышленных отходов ФГУП «ПО «Маяк». Основанием для проведения работ послужила Федеральная целевая программа «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года».
Для обоснования перспективности, а затем и выбора мест заложения разведочных скважин в 2008-2011 годах в соответствии с программой, разработанной ФГУГП «Гидроспецгеология», были выполнены:
- геофизические исследования методом МОГТ-2Д и СЛБО;
- изотопное датирование подземных вод;
- газовая и эманационная съемки (фиксация распределений гелия в подземных водах, радона и торона в почвенном воздухе);
- геофильтрационное и геомиграционное моделирование.
Геофизические исследования позволили уточнить геологическое строение Теча-Бродской структуры, особенно в ее западной части, примыкающей к Аргаяшскому надвигу.
Изотопное датирование подземных вод, выполненное с использованием урангелиевого и радиоуглеродного методов датирования, позволило оценить возраст подземных вод, заполняющих глубокие части разреза Теча-Бродской структуры, в диапазоне 10-27 тыс. лет [2].
Газовая и эманационная съемки показали отсутствие на участке исследований аномалий гелия и торона, что свидетельствует об отсутствии восходящих потоков флюидов. Данное обстоятельство является благоприятным фактором для захоронения отходов.
Разработка геофильтрационной модели
Геофильтрационное моделирование проводилось для получения количественных характеристик (градиентов напора, скоростей фильтрации) гидрогеодинамического поля геофильтрационного потока Теча-Бродской структуры за период 2000-2010 годов для выявления участка, пригодного для захоронения отходов.
Основными факторами, влияющими на режим подземных вод, являются сезонные и многолетние колебания инфильтрационного питания и уровней водоемов В-10 и В-11 Теченского каскада водоемов.
Амплитуды сезонных колебаний уровней грунтовых вод составляют 1-2 м, В-10 и В-11 – 0,2-0,4 м. 2000-2010 годы характеризовались относительной стабилизацией уровней поверхностных и подземных вод, поэтому при моделировании гидрогеодинамический режим рассматривался как стационарный. Для модельных уровней подземных и поверхностных вод, а также фильтрационных параметров питания и элементов баланса геофильтрационного потока принимались усредненные значения.
На рассматриваемой территории характерно развитие двух типов водоносных толщ и пластов: приуроченных к рыхлым отложениям и развитых в трещиноватых коренных породах. В соответствии с существующими представлениями об особенностях формирования геофильтрационной среды зона экзогенной трещиноватости может быть рассмотрена как отдельный водоносный пласт.
Рис. 2. Структурная геологическая модель территории исследований (1- 8 – модельные слои)
При моделировании гидрогеологический разрез (рис. 2) был представлен следующими генерализованными слоями (нумерация в соответствии с порядком задания на модели):
- водоносный пласт четвертичных отложений (1);
- водоносный пласт рыхлых осадочных отложений палеогена и неогена и коры выветривания пород мезо-кайнозойского возраста (2);
- водоносный пласт зоны экзогенной трещиноватости скальных пород палеозоя (3);
- водоносная толща вулканогенно-осадочных отложений силурийского и раннедевонского возрастов (4);
- относительно водоупорный пласт, приуроченный к зоне Аргаяшского надвига (5);
- водоносная толща отложений карбонатной свиты среднего и нижнего карбона (6);
- водоносный пласт в отложениях терригенной свиты нижнего карбона (7);
- водоносная толща вулканогенно-осадочных отложений верхнего девона – нижнего карбона (8).
Мощность модельного слоя 3 для всей территории исследований принималась равной 100 м, границы и мощности слоев 4-8 задавались в соответствии с данными геофизических исследований.
По условиям залегания водоносные слои 1-3 рассматривались как напорно-безнапорные, 4-8 – как напорные.
Фильтрационные свойства водовмещающих отложений были заданы по данным опытно-фильтрационных опробований, выполнявшихся на объекте с 1960-х годов по настоящее время. Фильтрационные свойства слоя 5 оценивались при калибровке модели.
В пределах рассматриваемой территории геофильтрационный поток формируется за счет инфильтрационного питания и фильтрационных потерь из водоемов В-10 и В-11. Разгрузка подземных вод происходит в гидрографическую сеть, а также эвапотранспирацией.
На основе моделирования влагопереноса в зоне аэрации был определен модуль инфильтрационного питания для основных типов ландшафта и разреза зоны аэрации; его значения изменяются в диапазоне 0,0001-0,0002 м/сут. Интенсивность эвапотранспирации принималась линейно убывающей с возрастанием глубины залегания уровня грунтовых вод.
Максимальный модуль эвапотранспирации (при нулевой глубине залегания уровня) и критическая глубина залегания уровня (при которой эвапотранспирация становится равной нулю) также были определены по результатам моделирования влагопереноса в зоне аэрации; их значения составляют 308 мм/год и 5 м соответственно [3].
Параметры фильтрационного сопротивления водоемов и водотоков, заданных как внешние и внутренние границы (рис. 3), определялись в процессе калибровки модели.
Для калибровки были использованы 64 контрольные скважины. Значения напоров в режимных и разведочных скважинах, а также объемы разгрузки подземных вод в реку Течу, правобережный и левобережный каналы, оцененные по данным гидрометрических исследований, использовались в качестве опорных. Контрольные значения напоров в режимных скважинах и объемы разгрузки усреднялись.
Стандартное отклонение модельных напоров от натурных составило 1,9 м, что сопоставимо с амплитудами сезонных колебаний уровней грунтовых вод. При максимальном перепаде замеренных напоров в пределах области расположения контрольных скважин, равном 39,06 м, относительная ошибка калибровки модели по напорам составила 4,9%.
Перспективный участок для полигона захоронения
По результатам моделирования была построена схематическая карта пьезометрических уровней модельных слоев 3 и 6 (рис. 3). Западнее линии Аргаяшского надвига потоки грунтовых и подземных вод карбонатной толщи имеют принципиально разную пространственную структуру. Если поток грунтовых вод в целом повторяет сложный рельеф поверхности и характеризуется сравнительно высокими градиентами напора (до 0,01), то геофильтрационный поток под Аргаяшским надвигом направлен с севера на юг (от водоемов В-10 и В-11 к реке Зюзелге) и характеризуется относительно малым градиентом напора (около 0,002), что обусловлено проявлением экранирующих свойств надвига.
Рис. 3. Граничные условия и гидродинамическая структура геофильтрационного потока Теча-Бродской структуры:1 – непроницаемые границы;
2 – линейные граничные условия третьего рода, заданные по рекам;
4 – площадные граничные условия третьего рода, заданные по водоемам;
5 – гидроизопьезы водоносной толщи отложений карбонатной свиты среднего и нижнего карбона (модельный слой 6);
6 – линии равных напоров водоносного пласта зоны экзогенной трещиноватости скальных пород палеозоя (модельный слой 3);
7 – линия Аргаяшского надвига;
8 – стационарные гидрометрические посты;
9 – режимные скважины
В центральной части территории моделирования за границей этого экрана геофильтрационные потоки имеют практически одинаковую пространственную структуру. С точки зрения гидрогеодинамики участок, расположенный под Аргаяшским надвигом, обладает признаком коллектора, пригодного для размещения жидких отходов повышенной плотности.
Гидрогеологические особенности самой глубокой части фундамента карбонатной толщи характеризуются низкими значениями латерального градиента напора, что может обеспечить необходимые условия для надежной локализации промышленных отходов, обладающих повышенной плотностью по сравнению с пластовыми водами.
Для полигона глубинного захоронения отходов на модели была выбрана локальная депрессия подошвы карбонатной толщи, расположенная вблизи линии Аргаяшского надвига, в пределах которой минимальная абсолютная отметка кровли терригенной свиты нижнего карбона составляет -1796 м. Абсолютные отметки (верхняя и нижняя) интервала закачки в дальнейших расчетах составили -1746 м и -1796 м соответственно. Таким образом, мощность интервала закачки составила 50 м. Годовой объем закачиваемого флюида – 300 тыс. м3 при эксплуатации коллектора в течение 30 лет.
Водоносный горизонт в отложениях терригенной свиты нижнего карбона (слой 7) рассматривался как слабопроницаемая толща, что делало постановку прогнозной задачи более консервативной. Режим геофильтрационного потока при закачке и после ее прекращения – как жесткий (квазистационарный), при котором не учитывается емкость водовмещающих отложений.
По результатам предыдущих исследований активная пористость пласта-коллектора была принята равной 0,1 (10%). Солевой фон закачиваемого флюида определялся содержанием нитрата натрия. Флюид рассматривался как нейтральный трассер, не сорбируемый водовмещающими породами. Значения параметров продольной и поперечной гидродинамической дисперсии были приняты как 10 м и 1 м соответственно, коэффициент молекулярной диффузии – 5*10-5 м2/сут [4]. Процесс миграции закачиваемых отходов в пласте-коллекторе рассматривался как изотермический.
Геомиграционное моделирование
На основе региональной геофильтрационной модели были разработаны геофильтрационная и геомиграционная модели-врезки (рис. 4-5). Моделирование осуществлялось на регулярной сетке с шагами Δx=Δy=50*50 м. Модель была детализирована по слоям таким образом, чтобы шаги сетки Δz по вертикали на участке инъекции составляли не более 20 м.
Расчеты выполнялись с учетом плотностной конвекции, с использованием программы SEAWAT Version 4, включенной в пакет программ PMWIN-8 [5-6], и алгоритма TVD4, обеспечивающего минимальную численную дисперсию фронта контаминанта при достаточно высокой скорости вычислений. Минерализация закачиваемого флюида была принята как 40 г/л (при фоновом значении 3 г/л). Прогнозные расчеты миграции отходов (рис. 4) проводились для предполагаемого времени их закачки (30 лет) и последующего периода миграции в пласте-коллекторе (1000 лет).
Рис. 4. Результаты моделирования распространения закачиваемых промышленных отходов в пласте-коллекторе на момент прекращения закачки (1) и через 1000 лет после этого (2)
Условные границы прогнозных ореолов миграции (рис. 5) приняты согласно ПДК нитрата натрия для питьевой воды. Результаты моделирования показывают, что в процессе закачки формируется конусовидный ореол, радиус которого на момент прекращения закачки составляет 665 м (максимальная высота в точке инъекции – около 300 м), а через 1000 лет – 1650 м. Прогнозное смещение центра масс ореола за 1000-летний период составляет 457 м, средняя скорость движения – 0,46 м/год. При этом траектория движения центра масс ореола вследствие плотностной конвекции отклоняется от траектории регионального геофильтрационного потока на запад, в направлении уклона подошвы пласта-коллектора.
Рис. 5. Объемное представление результатов моделирования распространения закачиваемых промышленных отходов в пласте-коллекторе на момент прекращения закачки (1) и через 1000 лет после этого (2):1 – поверхность земли;
2 – подошва Аргаяшского надвига;
3 – подошва пласта-коллектора; цветовая шкала прогнозной минерализации согласно рисунку 5
Предполагаемая конструкция нагнетательных скважин
Одним из определяющих факторов, влияющих на обеспечение безопасных условий эксплуатации полигона захоронения промышленных отходов в карбонатных породах Теча-Бродской структуры, является надежность цементации затрубного пространства обсадных колонн нагнетательных скважин.
Геолого-структурные особенности рассматриваемого участка позволяют исключить этот фактор путем сооружения наклонно направленной скважины, в которой верхняя вертикальная часть ствола до глубин 1600-1700 м будет пройдена в устойчивых вулканогенно-осадочных породах силурийского возраста, что в дальнейшем даст возможность надежной цементации затрубного пространства. Проходка скважины в «продуктивную» зону обеспечивается направленным наклонным бурением (рис. 6). Купол репрессии, формирующийся при нагнетании отходов в такую скважину, будет, при равных давлениях и расходах на устьях, меньше – из-за размещения горизонтального (субгоризонтального) участка ствола скважины в рабочем пласте.
Рис. 6. Схематический разрез перспективного участка (по линии 2 – 2) и предполагаемая схема бурения опытно-эксплуатационной скважины
Таким образом, относительно застойная гидродинамическая зона под Аргаяшским надвигом с низкими латеральными градиентами пьезометрических уровней может рассматриваться в качестве потенциально пригодной для захоронения жидких промышленных отходов с плотностью выше, чем у пластовых вод. Незначительное смещение центра масс ореола закачиваемых отходов в течение продолжительного времени (более 1000 лет), значительный возраст пластовых вод в рабочей зоне, отсутствие аномалий проявления гелия и торона на поверхности позволяет также рассматривать варианты захоронения РАО, содержащих β-излучающие радионуклиды с периодом полураспада до 30 лет, с удельной активностью до 106 Бк/л, при которых воздействие отходов на окружающую среду, в том числе радиационное, фактически исключено.
Литература
- Величкин В.И., Тарасов Н.Н. Детализация геологического строения перспективного участка Теча-Бродской структуры в зоне Аргаяшского надвиг» в обеспечение мероприятия «Инженерно-геологическое обоснование выбора участка для подземного захоронения жидких радиоактивных отходов в районе Теча-Бродской структуры». Москва, фонды ФГУГП «Гидроспецгеология», 2011.
- Токарев И.В. Анализ результатов изотопного опробования Тече-Бродской структуры изотопно-геохимическими методами с целью определения темпов природного водообмена. Москва, фонды ФГУГП «Гидроспецгеология», 2011.
- Поздняков С.П. Оценка инфильтрационного питания и эвапотранспирации подземных вод на территории Теча-Бродской структуры. Москва, фонды ФГУГП «Гидроспецгеология», 2011.
- Шестаков В.М. Гидрогеодинамика / В.М. Шестаков – М.: Изд-во МГУ, 2009.
- Wen-Hsing Chiang; Wolfgang Kinzelbach. 3D-groundwater modeling with PMWIN: a simulation system for modeling groundwater flow and pollution. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hong Kong; London; Milan; Paris; Singapore; Tokyo : Springer, 2000.
- SEAWAT Version 4: A Computer Program for Simulation of Multi-Species Solute and Heat Transport. Christian D. Langevin. Techniques and Methods Book 6, Chapter A22. U.S. Department of the Interior. U.S. Geological Survey.
Авторы
М.Л. Глинский, к.т.н., Е.Г. Дрожко, к.ф.-м.н., Б.М. Зильбертштейн, к.г.-м.н., А.А. Куваев, д.г.-м.н., К.В. Белов
ФГУГП «Гидроспецгеология»
