ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ РАЙОНА РАБОТ 8
1.1 Физико-географический очерк 8
1.1.1 Географическое положение и территориально-производственная структура 8
1.1.2 Рельеф 8
1.1.3 Климат 11
1.2 Геологическое строение 12
1.2.1 Стратиграфия 12
1.2.2 Магматизм 18
1.2.3 Тектоника 19
1.3 Гидрогеология и инженерная геология 23
1.3.1 Гидрогеологические условия 23
1.3.2 Инженерно-геологические условия 29
ГЛАВА 2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ УЧАСТКА «ЕНИСЕЙСКИЙ» И АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ 31
2.1 Виды и объемы работ 31
2.1.1 Буровые работы 31
2.1.2 Геофизические исследования в скважинах 33
2.1.3 Опробование керна скважин 33
2.2 Геологическое строение участка «Енисейский» 35
2.3 Гидрогеологические условия 39
2.3.1 Описание гидрогеологического разреза 39
2.3.2 Общая характеристика гидрогеологических условий 44
2.3.3 Условия формирования подземных вод 46
2.4 Опытно-фильтрационные работы 47
2.4.1 Методика проведения ОФР 48
2.4.2 Анализ результатов опытно-фильтрационных работ 50
ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ТРЕЩИННОЙ СТРУКТУРЫ И СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАССИВА 55
3.1 Обзор классификаций нарушений сплошности среды 55
3.1.1 Инженерные классификации нарушений сплошности 55
3.1.2 Геологические классификации трещин 56
3.2 Методы и результаты исследования трещинной структуры гнейсового массива участка «Енисейский» 59
3.2.1 Характеристика фактического материала и подходы к его систематизации 59
3.2.1.1 Геолого-структурные элементы, характеризующие нарушения сплошности массива и создание базы данных (БД) 59
3.2.1.2 Дополнительное обследование кернового материала и отбор породных проб 63
3.2.2 Оценка корреляционных связей геофизических параметров и физических свойств пород с геолого-структурными элементами массива 64
3.2.2.1 Исследования в скважинах 64
3.2.2.2. Площадные геофизические исследования 69
3.2.3 Локализация, статистика и пространственная корреляция зон дезинтеграции 71
3.2.3.1 Зоны брекчирования 71
3.2.3.2 Связь зон трещиноватости с дайками 72
3.2.3.3 Статистические и корреляционные характеристики выделенных структурно-геологических элементов 74
3.3. Структурные порядки зон дезинтеграции массива в пределах участка «Енисейский» 81
3.4. Изучение сорбции радионуклидов на породах 83
3.4.1 Общие представления о радиоактивных отходах и системах их захоронения 83
3.4.1.1 Конструктивные особенности ПГЗРО Енисейский 83
3.4.1.2 Данные о составе ВАО и их опасности 84
3.4.2 Методика проведения сорбционных испытаний 85
3.4.3. Исследование среды трещинного заполнителя 88
3.4.4 Результаты сорбционных испытаний 90
3.4.4.1 Результаты экспериментов по сорбционному взаимодействию растворенных радиоактивных компонентов и измельченных образцов материала- заполнителя трещинного пространства вмещающих пород участка «Енисейский» 90
3.4.4.2 Результаты экспериментов по сорбционному взаимодействию растворенных радиоактивных компонентов и поверхностей трещин на монолитных фрагментах пород участка «Енисейский» 93
ГЛАВА 4. МИГРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ 96
4.1 Схематизация гидрогеологических условий и расчет средней скорости фильтрации 96
4.2. Миграция радионуклидов в трещиноватой среде, включающей выдержанные по протяженности зоны тектонической (сдвиговой) деформации 99
4.2.1. Триплетная модель 99
4.2.2. Расчет миграции радионуклидов на участке «Енисейский» 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 114
Опасность, связанная с захоронением РАО, обусловлена возможностью попадания различного количества радионуклидов в среду обитания человека, в связи с чем, исследование и прогноз радионуклидов в геосфере является одним из ключевых направлений при проектировании пунктов глубинного захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО).
В настоящей работе представлены результаты исследований, целью которых являлось полевое и лабораторное изучение параметров трещиноватых гнейсов, необходимых для прогноза миграции радионуклидов в Нижне-Канском массиве после закрытия ПГЗРО.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) анализ данных геологического бурения, геофизических исследований в скважинах и на поверхности, а также опытно-фильтрационного опробования массива;
2) выделение и картирование в пределах Нижне-Канского массива гранитогнейсовых пород (участок «Енисейский») различных зон тектонической дезинтеграции, определение их структурных порядков, физических параметров и статистических характеристик (включая вероятностные);
3) анализ данных изучения минерального состава образцов горных пород из зон повышенной трещиноватости;
4) изучение материала-заполнителя трещинного пространства и его влияния на сорбционные процессы по результатам опытов с образцами трещиноватых пород, отобранных из кернового материала скважин на участке «Енисейский»;
5) оценка влияния сорбции в трещиноватой среде на скорость миграции радионуклидов, переносимых подземными водами;
6) определение времени миграции радионуклидов от ПГЗРО до области разгрузки - р. Енисей.
Основной объем первичной информации представлен данными геологического описания разреза и фотодокументации керна, полученного в процессе бурения 14 геологических и гидрогеологических скважин на участке «Енисейский» на поисковой и оценочной стадиях. Выполнено повторное обследование керна в кернохранилище в г. Железногорск и отобраны характерные образцы пород для изучения продуктов выветривания на поверхности трещин и трещинного заполнителя.
Личный вклад автора заключается в анализе фондовых и опубликованных материалов, данных бурения и геофизического каротажа скважин, лабораторных сорбционных экспериментов с радионуклидами. Более конкретно: основываясь на анализе буровых колонок скважин, автором систематизированы трещины и зоны тектонической дезинтеграции (трещиноватости, рассланцевания и дробления) гнейсового массива и установлены структурные порядки этих зон, дана количественная характеристика зон дезинтеграции (геометрические размеры, пространственная ориентация и проницаемость), построены статистические гистограммы, выполнена оцифровка кривых ГИС (скважинного каротажа), выполнен корреляционный анализ для установления связи между данными бурения и геофизическими параметрами. В период командировки выполнено повторное обследование керна в кернохранилище в г. Железногорск и отобраны характерные образцы пород для изучения продуктов выветривания на поверхности трещин и трещинного заполнителя. Наряду с этим, проведены расчеты времени миграции радионуклидов при различных параметрах среды.
Впервые при исследовании трещиноватости массива производится обоснованное разделение интервалов на 2 группы - с техногенной («искусственной») и природной трещиноватостью.
Практическая ценность работы заключается в оценке и обосновании долговременной безопасности проектируемого ПГЗРО на участке «Енисейский».
Для достижения поставленных задач потребовалось использование определенных программных комплексов для представления разрезов скважин с дискретным характером нарушения их сплошности (Grapfer). Также для выполнения отдельных экспериментальных этапов работы привлекалась информация, полученная в нескольких специализированных лабораториях.
Магистерскую работу можно условно разделить на две части: (1) подготовительно-реферативную, связанную со сбором и изучением фондового материала, а также систематизацию полевых данных, и (2) аналитическую, включающую изучение трещинной структуры массива и сорбционных свойств среды, а также решение прикладных задач миграции радионуклидов в гранитогнейсовом массиве.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В.Г. Румынину за помощь при написании диссертационной работы, К.Б. Розову и А.М. Никуленкову (Институт Геоэкологии РАН), помогавшим автору в обработке полевых данных и результатов лабораторных экспериментов, выполненнных в НИТИ им. А.П. Александрова. За организационную поддержку работы на кернохранилище автор выражает признательность А.И. Лозовому (Железногорский филиал ФГУП «НО РАО»), И.В. Шрамко (ФГУП «ГХК») и А.Ю. Озерскому (ОАО «Красноярскгеология») за консультативную помощь.
В заключение сформулируем основные выводы, полученные в ходе данного исследования.
1. В основу настоящей работы положена геологическая информация, полученная в процессе: (1) обобщения геолого-структурной и геоморфологической информации по району как результат геологической съемки территории и геодинамических наблюдений; (2) бурения 14 скважин; (3) разнообразных геофизических зондирований массива с поверхности; (4) комплексного геофизического каротажа скважин; (5) исследования (испытания) образцов керна в лабораторных условиях; (6) опытно-фильтрационных работ (ОФР).
2. Геологический разрез участка представлен двумя генетически различающимися глобальными зонами дезинтеграции массива:
(а) верхней - зоной экзогенной трещиноватости (связанной с физическим и химическим выветриванием),
(б) нижней - зоной сдвиговых (тектонических) деформаций (связанной с денудацией массива за счет развития напряжений сдвига).
Мощность зоны экзогенной трещиноватости, относительно выдержанной по простиранию, составляет 80-200 м. Представлена эта зона более-менее регулярной сеткой водопроводящих и гидравлически взаимосвязанных трещин. Зона тектонических деформаций прослеживается до глубин 600 м и более от поверхности. Она характеризуется присутствием в массиве линейных структур - локальных (дискретных) зон разуплотнения и связанными с ними следующих геологических объектов:
• зон тектонических (тектоно-метасоматической) брекчий;
• интрузивных тел в виде магматических даек нескольких генераций, трассирующих разрывные нарушения в гнейсовом массиве;
• зон тектонической постмагматической дезинтеграции массива
3. В работе основное внимание уделено линейным тектоническим структурам в глубоких частях геологического разреза, а конкретнее - выделению и количественному описанию двух структурно-генетических типов зон постмагматической дезинтеграци:
(а) зон трещиноватости (рассланцевания);
(б) зон дробления (со следами милонитизации). Именно эти зоны являются ответственными за формирование превалирующих путей миграции радионуклидов в массиве.
4. Целый ряд специфических параметров, характеризующих геометрию, пространственное положение и физические свойства этих структур, были переведены в цифровой формат и занесены в базу данных (БД). Таким образом, задокументировано около 7600 п.м. керна из 14 геологических и гидрогеологических скважин, пробуренных на участке «Енисейский».
5. Были обоснованы специальные методические подходы, позволяющие исключить интервалы с повышенной трещиноватостью керна, связанные с влиянием техногенного фактора - процессом бурения скважины.
6. Проведенные исследования включали также повторное обследование керна в кернохранилище (отбор характерных образцов керна для изучения микротрещиноватости в шлифах и минералогического изучения продуктов выветривания на поверхности трещин и трещинного заполнителя), лабораторное исследование образцов в шлифах и вещественного и минералогического состава заполнителя трещин, определение генезиса трещин и трещинных зон, а также роли секущих даек (основного состава позднеархейского и раннепротерозойского возрастов) в формировании структуры трещинного пространства массива вмещающих гнейсов, анализ данных ранее выполненного комплексного геофизического каротажа скважин и оценка корреляционных связей геофизических параметров с трещиноватостью массива, статистический анализ распределения зон трещиноватости различного структурного порядка.
7. Анализ полученного материала показал относительно хорошее совпадение пиковых значений электропроводности с зонами, выделенными нами (после исключения участков техногенного нарушения сплошности при бурении) как зоны с повышенными значениями показателя раздробленности пород, обычно Мзды > 0.4 м/10 м. Вполне значимая корреляция отмечается между пиками электропроводности и зонами повышенной трещиноватости (Мтр > 15-20). Такая согласованность разнородных параметров позволяет интервалы, где наблюдается подобное совпадение, относить к зонам истинной (тектонической) дезинтеграции массива. Монолитные участки пород характеризуются слабо меняющимися по глубине значениями электрической проводимости.
8. Системы трещин и зон дробления, а также дайки, пересекающие интервал бурения скважин, были описаны с помощью методов геостатистики (позволяющих оценить частоту встречаемости, статистический закон распределения и пространственную корреляцию).
8.1. Распределения модуля трещиноватости и расстояния между индивидуальными трещинами являются логнормальными. Полученные суммарные гистограммы указывают на резкое преобладание интервалов с частотой встречаемости трещин - через каждые 10-15 см. Эти диапазоны значений характеризуют первичную («фоновую») трещиноватости гнейса. Доля интервалов, характеризующихся более высокой плотностью трещин, которая может быть отнесена к категории зон с повышенной трещиноватостью (рассланцевания) (Мтр > 15-20, расстояние между трещинами менее 5-7 см), относительно невелика.
8.2. Логнормальным является и распределение мощностей элементарных зон дробления (ЭЗД). Низкая статистическая дисперсия свидетельствует о слабой изменчивости рассматриваемого показателя, колеблющегося в довольно узком диапазоне 0.05-0.2 м (среднее значение 0.15 м).
8.3. Средняя мощность даек второй генерации, многократно уступает мощности даек первой генерации. Дайки первой генерации образуют относительно регулярные линейные структуры. Напротив, пространственная структура даек второй генерации отличается крайней нерегулярностью: этим дайкам свойственно группироваться в отдельных областях массива, образуя подобие кластеров.
9. Для определения минерального и химического состава аншлифы образцов пород из зон дробления и милонитизации были изучены на сканирующем электронном микроскопе. Породы из такого рода зон представляют собой сильно раздробленную и перетертую массу. Размер ненарушенных обломков в этой массе - первые миллиметры. Обломки сцементированы светлым зеленовато-серым материалом. Основной минеральный состав представлен кварцем, серицитом и хлоритом с небольшой примесью кальцита и отдельными вкрапленниками рудных и акцессорных минералов.
10. Особенности миграции ряда радиоактивных загрязнителей (137Cs, 90Sr, 79Se, 99Tc, 152Eu, 239Pu) были изучены в ходе проведения лабораторных экспериментов по взаимодействию водных растворов, содержащих указанные изотопы с материалом- заполнителем трещин из массива трещиноватых пород участка «Енисейский».
В результате сорбцинных экспериментов были получены оценки коэффициентов сорбционного распределения радиоактивных компонентов между подземными растворами и указанными породами. При проведении исследований с участием материала-заполнителя трещин в горных породах было проведено две серии опытов: оценка сорбционной способности измельченного породного материала и оценка сорбции радионуклидов на поверхностях трещин монолитных фрагментов пород.
Результаты сорбционных экспериментов с участием материала-заполнителя трещин показали, что компоненты 137Cs и 239Pu сорбцируются преимущественно на горные породы из зон дробления гнейсов и долеритов, затронутых выветриванием. При этом изотопы 152Eu и 90Sr удерживаются породами, которые представлены брекчированным материалом гнейсов и долеритов.
11. Анализ расчетов времени миграции позволила сделать следующие выводы:
а) степень сорбции одних радионуклидов может быть различна в сравнении с другими на порах, на дисперсном материале или на трещинах;
б) учитывая наличие дисперсной фракции, значение сорбционного распределения может значительно изменяться.
в) по чувствительности сорбционного распределения можно выделить 3 группы радионуклидов:
1. Инертные. В эту группу входят четыре радионуклида:7^, 99Tc, H3, 90Sr. Слабочувствительные. К этой группе можно отнести радионуклиды 239Pu и Eu.
2. Сильночувствительные. В эту группу входит радионуклид Цезия 137Cs.
Более обоснованный прогноз миграции радионуклидов нуждается в проведении детальных геолого-структурных изысканий, экспериментальных исследований.
В этой связи рекомендуется провести дополнительные работы:
• бурение опытных скважин должно выполняться с полным отбором керна и его детальным описанием, прежде всего, направленным на изучение плотности, геометрии и пространственной ориентации трещин;
• организовать дополнительный отбор образцов в объеме, достаточном для полноценного исследования сорбционных свойств пород участка «Енисейский»;
• проведение опытно-фильтрационных работ в виде продолжительных кустовых откачек, поинтервальных нагнетаний и комбинированных (дуплетных) схем опробования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
