Помощь студентам в учебе
ГЕОТЕХНОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЯКУТИИ (1974-1987 гг.): геоэкологические модели и особенности переноса радионуклидов и сопутствующих элементов
|
Введение. 3
Глава 1. Методика исследований. 31
Глава 2. Особенности геологической среды объектов ПЯВ 48
2.1. Район ПЯВ «Кристалл» и «Кратон-3». 49
2.2. Район группы ПЯВ на Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении 65
2.3. Район ПЯВ «Кратон-4» 77
2.4. Выводы. Влияние особенностей геологической среды на развитие геотехногенных систем ПЯВ. 86
Глава 3. Фоновые содержания радионуклидов и микроэлементов в
компонентах природной среды районов исследования 90
3.1. Естественные радионуклиды U, Th, K и микроэлементы 90
3.1.1. На южном склоне Анабарской антеклизы в районе ПЯВ «Кристалл» и «Кратон-3» 90
3.1.2. Район группы ПЯВ на Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении на северной части Непско-Ботуобинской антеклизы 102
3.1.3. Район ПЯВ «Кратон-4» 107
3.2. Фоновые уровни содержания техногенных радионуклидов 110
3.3. Выводы 115
Глава 4. Основные характеристики объектов ПЯВ и расчетные модели механического разрушения вмещающей геологической среды 117
4.1. Классификация ПЯВ. 117
4.2. Аварийный ПЯВ «Кристалл» и расчетная модель механического воздействия на геологическую среду. 120
4.3. Аварийный ПЯВ «Кратон-3» и расчетная модель механического воздействия на геологическую среду. 125
4.4. Камуфлетный ПЯВ «Кратон-4» и расчетная модель механического воздействия на геологическую среду. 131
4.5. Группа ПЯВ на территории Среднеботуобинского
нефтегазоконденсатного месторождения 133
4.6. Выводы 135
Глава 5. Техногенная флюидопроницаемая геоструктура «ослабленная зона вокруг боевой скважины ПЯВ», как основной проводник 137
радионуклидов на поверхность земли
5.1. Проявление ослабленной зоны вокруг боевой скважины на поверхности земли и состояние многолетней мерзлоты 137
5.2. Ослабленная зона вокруг боевой скважины на примере ПЯВ «Кристалл» по данным геофизического зондирования методом 145
переходных процессов
5.3. Радиогеохимические индикаторы переноса подземных флюидов по системе «полость взрыва - ослабленная зона вокруг боевой 156
скважины - поверхность земли»
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.4. Площадка ПЯВ «Кристалл»
Площадка ПЯВ «Кратон-3»
Площадки 7-ми ПЯВ на территории Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения
Выводы 156
168
175
187
Глава 6. Естественные флюидопроницаемые геоструктуры: тектонические разломы, водоносные горизонты, контактные зоны магматических тел, как проводники подземной радиоактивности. 189
6.1. Флюидопроницаемая геоструктура тектонического разлома на примере района ПЯВ «Кратон-3» по данным геофизического зондирования методом переходных процессов 189
6.2. Поверхностное радиоактивное загрязнение ландшафтов. Доказательства просачивания техногенных радионуклидов из недр по зоне тектонического разлома в районе ПЯВ «Кратон-3» (результаты радиоэкогеохимического изучения) 203
6.3. Флюидопроницаемая геоструктура подземных водоносных горизонтов как проводник подземной радиоактивности при взаимодействии двух геотехногенных систем: объекта ПЯВ «Кристалл» и сверхглубокого карьера кимберлитовой трубки «Удачная» 222
6.4. Естественные флюидопроницаемые геоструктуры на
Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении 225
6.5. Радиоэкогеохимические индикаторы выхода подземных
радиоактивных флюидов в районе ПЯВ «Кратон-4» 231
6.6. Выводы 247
Глава 7. Геоэкологические модели геотехногенных систем ПЯВ на территории Якутии 250
Глава 8. Геоэкологический мониторинг и пути снижения рисков радиоактивного загрязнения в районах ПЯВ 263
Заключение 275
Список литературы 278
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Письмо Министерства охраны природы Республики Саха (Якутия) в диссертационный совет о практическом применении результатов исследований соискателя Артамоновой С.Ю.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии поверхностных вод района ПЯВ «Кратон-3»
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты интерпретации данных электромагнитных зондирований методом ЗМПП (кривые кажущегося сопротивления и геоэлектрические модели).
Глава 1. Методика исследований. 31
Глава 2. Особенности геологической среды объектов ПЯВ 48
2.1. Район ПЯВ «Кристалл» и «Кратон-3». 49
2.2. Район группы ПЯВ на Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении 65
2.3. Район ПЯВ «Кратон-4» 77
2.4. Выводы. Влияние особенностей геологической среды на развитие геотехногенных систем ПЯВ. 86
Глава 3. Фоновые содержания радионуклидов и микроэлементов в
компонентах природной среды районов исследования 90
3.1. Естественные радионуклиды U, Th, K и микроэлементы 90
3.1.1. На южном склоне Анабарской антеклизы в районе ПЯВ «Кристалл» и «Кратон-3» 90
3.1.2. Район группы ПЯВ на Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении на северной части Непско-Ботуобинской антеклизы 102
3.1.3. Район ПЯВ «Кратон-4» 107
3.2. Фоновые уровни содержания техногенных радионуклидов 110
3.3. Выводы 115
Глава 4. Основные характеристики объектов ПЯВ и расчетные модели механического разрушения вмещающей геологической среды 117
4.1. Классификация ПЯВ. 117
4.2. Аварийный ПЯВ «Кристалл» и расчетная модель механического воздействия на геологическую среду. 120
4.3. Аварийный ПЯВ «Кратон-3» и расчетная модель механического воздействия на геологическую среду. 125
4.4. Камуфлетный ПЯВ «Кратон-4» и расчетная модель механического воздействия на геологическую среду. 131
4.5. Группа ПЯВ на территории Среднеботуобинского
нефтегазоконденсатного месторождения 133
4.6. Выводы 135
Глава 5. Техногенная флюидопроницаемая геоструктура «ослабленная зона вокруг боевой скважины ПЯВ», как основной проводник 137
радионуклидов на поверхность земли
5.1. Проявление ослабленной зоны вокруг боевой скважины на поверхности земли и состояние многолетней мерзлоты 137
5.2. Ослабленная зона вокруг боевой скважины на примере ПЯВ «Кристалл» по данным геофизического зондирования методом 145
переходных процессов
5.3. Радиогеохимические индикаторы переноса подземных флюидов по системе «полость взрыва - ослабленная зона вокруг боевой 156
скважины - поверхность земли»
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.4. Площадка ПЯВ «Кристалл»
Площадка ПЯВ «Кратон-3»
Площадки 7-ми ПЯВ на территории Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения
Выводы 156
168
175
187
Глава 6. Естественные флюидопроницаемые геоструктуры: тектонические разломы, водоносные горизонты, контактные зоны магматических тел, как проводники подземной радиоактивности. 189
6.1. Флюидопроницаемая геоструктура тектонического разлома на примере района ПЯВ «Кратон-3» по данным геофизического зондирования методом переходных процессов 189
6.2. Поверхностное радиоактивное загрязнение ландшафтов. Доказательства просачивания техногенных радионуклидов из недр по зоне тектонического разлома в районе ПЯВ «Кратон-3» (результаты радиоэкогеохимического изучения) 203
6.3. Флюидопроницаемая геоструктура подземных водоносных горизонтов как проводник подземной радиоактивности при взаимодействии двух геотехногенных систем: объекта ПЯВ «Кристалл» и сверхглубокого карьера кимберлитовой трубки «Удачная» 222
6.4. Естественные флюидопроницаемые геоструктуры на
Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении 225
6.5. Радиоэкогеохимические индикаторы выхода подземных
радиоактивных флюидов в районе ПЯВ «Кратон-4» 231
6.6. Выводы 247
Глава 7. Геоэкологические модели геотехногенных систем ПЯВ на территории Якутии 250
Глава 8. Геоэкологический мониторинг и пути снижения рисков радиоактивного загрязнения в районах ПЯВ 263
Заключение 275
Список литературы 278
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Письмо Министерства охраны природы Республики Саха (Якутия) в диссертационный совет о практическом применении результатов исследований соискателя Артамоновой С.Ю.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии поверхностных вод района ПЯВ «Кратон-3»
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты интерпретации данных электромагнитных зондирований методом ЗМПП (кривые кажущегося сопротивления и геоэлектрические модели).
Актуальность исследований. Одной из важных проблем геоэкологии является распространение радиоактивных элементов в среде обитания человека [Осипов, 1993, Рихванов, 2009]. В ходе выполнения Государственной программы СССР №7 «Ядерные взрывы для народного хозяйства» с 15.01.1965 г. по 06.09.1988 г. было произведено 124 ПЯВ с подрывом 135 зарядов ядерных взрывных устройств (ЯВУ) [Андрюшин др., 2000, Мирные..., 2001, с. 35Б, ] общей мощностью 1783.69 кт в тротиловом эквиваленте (ТЭ) «Мирный» - этот термин был предложен в связи с народнохозяйственным (невоенным) назначением взрывов.
Поиск путей полезного приложения ядерно-взрывных технологий в народном хозяйстве был начат вместе со становлением атомной эпохи как в США, так и СССР. Мощь и силу ядерных взрывов хотелось применить не только для разрушения, но и для созидания. В 1966 г. были изложены идеи использования энергии ядерных взрывов для народнохозяйственных и исследовательских целей [Из поколения побелителей, 2008], а именно:
1) ПЯВ может продуцировать мощные магнитные поля напряженностью в сотни млн. эрстед в объемах 1 м3 , что можно использовать для индукционного ускорения элементарных частиц (как ускорители);
2) ПЯВ для плутониевого и тритиевого бридинга (производства)
3) для повышения нефтеотдачи месторождений, для создания искусственных месторождений алмазов и других сверхтвердых соединений;
4) строительство каналов, плотин и т.п.
5) при запуске ракет за счет энергии ПЯВ (взрыволет)
6) как сигналы для установления контакта с внеземными цивилизациями и т.д. и т.п..
которые легли в основу Программы №7.
Большая часть мирных ПЯВ - 85 общей мощностью 758,7 кт в ТЭ была произведена на территории России (табл.1), из них 51 взрыв - в пределах криолитозоны на севере и северо-востоке России в условиях таежных и тундровых ландшафтов криолитозоны.
Всего 39 взрывов были проведены в качестве источников волн для глубинного сейсмозондирования по заказу Министерства геологии СССР; 41 - для создания подземных емкостей и хранилищ; 21 - для интенсификации добычи нефти и газа; 6 - для экскавационных экспериментов; 5 - для ликвидации аварийных газовых фонтанов; 4 - для образования провальных воронок; 4 - для захоронения вредных промышленных стоков и радиоактивных отходов; 2 - для дробления руды при ее подземной добыче; 1 - для
Таблица 1. Распределение по регионам СССР количества ПЯВ народно-хозяйственного назначения, проведённых за пределами спецполигонов [Мирные..., 2001]
Регион Число испытаний
Европейская часть РСФСР 48
Азиатская часть РСФСР 37
Казахская ССР 15
Украинская ССР 2
Узбекская ССР 2
Туркменская ССР 1
предупреждения внезапных выбросов угольной пыли и метана на угольных шахтах; 1 - для создания плотины хвостохранилища путем рыхления породы (рис.1,2). По другому подсчету: было произведено 116 мирных ПЯВ с использованием 124-х ядерных зарядов общей мощностью 1700 кТ в тротиловом эквиваленте (ТЭ) [Адамский и др., 2002]. Согласно Яблокову А.В. [Яблоков, 2003] было произведено вообще 169 мирных ПЯВ, в ходе которых было взорвано 173 ЯВУ (табл.2). Расхождение данных о количестве ПЯВ - это одно из следствий былой секретности программы и разных способов подсчета (по количестве ЯВУ или по количеству взрыва -события).
Таблица 2. Распределение ПЯВ по реализованной мощности ядерного заряда, кт в ТЭ [Яблоков, 2003]
Мощность заряда, кт в ТЭ
0.01-0.1 0.2-0.9 1-10 11-20 21-49 50-100 >100 Всего количество
ПЯВ
США 1 0 8 7 7 4 2 29
СССР 4 7 106 29 9 13 5 173
Всего 5 7 114 36 16 17 7 202
Согласно этих данных наиболее часто проводили ПЯВ вне зоны спецполигонов в начале 1980-х годов - до 11 ПЯВ в 1984 г. Среди мирных ПЯВ преобладали взрывы мощностью до 10 кт в ТЭ, на втором месте взрывы мощностью примерно 20 кт в ТЭ.
Первый в СССР ПЯВ «Чаган» мощностью 140 кт в ТЭ был произведен в 15 января 1965 г. для создания водохранилища, последний «Рубин-1» мощностью 8.5 кт в ТЭ для сейсмозондирования Земли - 6 сентября 1988 г.
Рис.1. Распределение ПЯВ народно-хозяйственного назначения по годам, проведенных в бывшем СССР [Мирные..., 2001].
В США программа ПЯВ народно-хозяйственного назначения была названа «Плаушер» (Плуг по англ., название взято из библии «сменим мечи на орала»), и была начата раньше, чем в СССР. Первый взрыв «Гном» был произведен 10 декабря 1961 г. Последний - «Рио Бланко» 17 мая 1973 г. Всего в США было проведено 23 мирных ПЯВ с использованием 27 ядерных зарядов, по данным Яблокова А.В. - 33 ПЯВ из 39 ядерных зарядов [Яблоков, 2003]. В США быстро свернули программу мирных ПЯВ, оценив низкую экономическую эффективность использования ядерно-взрывной технологии при решении народно-хозяйственных задач, или поняли масштабы зарождаемых взрывами экологических проблем, хотя продолжали взрывать на спецполигонах, напрмиер, Невада вплоть до сентября 1992 г.
Ядерное взрывное устройство (ЯВУ) состоит из собственно ядерного заряда и систем его подрыва и контроля, помещенных в металлический корпус [Мирные ядерные.., 2001]. Сжатые силой взрыва обычного взрывчатого вещества части из урана-235 или плутония-239 образуют критическую массу делящегося вещества. В результате возникает цепная реакция деления ядер, выделяется огромное количество энергии и происходит атомный взрыв. Известно, что обычно в боевых ЯВУ использовался шар из металлического Be с Y-238Pu покрытием в качестве импульсного нейтронного инициатора (урчина) - первичного источника нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции (сперва вместо 238Pu использовали 209Po). Урчина срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение 238Pu и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). Осколки вынужденного деления тяжелых делящихся материалов, представлены первоначально 80-тью изотопами 35-ти химических элементов от Zn до Gd. Первые атомные взрывные устройства для ПЯВ были именно такими. Однако для большей части ПЯВ, в том числе для рассматриваемых в данной работе, использовались не просто ядерные, а термоядерные взрывные устройства. При термоядерном взрыве энергия атомного взрыва урана-235 или плутония-239 служит «запалом» для начала термоядерной реакции синтеза (слияния) ядер изотопов водорода. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода (дейтерия 2Н и трития 3Н) в ядро гелия 4He и нейтрон. Реакция синтеза дает в сотню раз больше энергии, чем реакция ядерного деления. Гидрид лития поглощает нейтроны, возникшие в ходе ядерной реакции деления, в результате чего образуется тритий. Тритий вступает в реакцию с дейтерием (стабильный изотоп водорода), при этом снова выделяются нейтроны (происходит «зажигание»), которые затем вновь поглощаются гидридом лития с образованием трития, тритий реагирует с дейтерием и т.д. Все это происходит в миллионные доли секунды.
п + 141 Mev
Рис.2. Схема термоядерной реакции [http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Deuterium- tritium_fusi on. svg?usel ang=ru]
Подземный ядерный взрыв является одним из самых сильных техногенных воздействий, когда-либо оказанных человеком на геологическую среду [Яблоков, 2003, Адушкин, Спивак, 2007]. Под геологической средой, согласно Е.М. Сергееву [1982] понимается верхняя часть литосферы, находящаяся под воздействием инженерной деятельности человека, которая, в свою очередь, в известной степени определяет эту деятельность. В дальнейшем понятие «геологической среды» получило развитие как динамическая геосистема верхней части литосферы, состоящая из тесной взаимосвязи компонентов: «горные породы - подземные воды (в т.ч. нефти и др. жидкие углеводороды) - природные газы - микроорганизмы (живая составляющая), на которые воздействует техногенная деятельность человека [Радченко, Матусевич, Курчиков, 2011]. Мощность или глубина геологической среды определяется глубиной техногенного воздействия и глубиной, где происходят вызванные техногенным воздействием изменения. Например, при бурении глубоких скважин, добычи нефти и газов, глубина геологической среды исчисляется от нескольких до 6-7 километров. За верхнюю границу геологической среды принмают дневную поверность земли, где геологическая среда активно взаимодействует с атмосферой и гидросферой [Радченко и др., 2011].
Техногенное воздействие может оказываться как на геосистему в целом, так и избирательно на отдельные ее компоненты. При этом важны изменения не только в горных породах, но и в подземных водоносных горизонтах, в движении подземных газов. В работах Шварцева С.Л. касательно зоны гипергенеза и гидрогеологических проблем также раскрывается понятие единой системы «горная порода - подземные воды - органическое вещество - газы», в которой подчеркивается сложная система взаимосвязей горных пород и флюидов (жидкой и газовой фаз), и тем самым близко к выделяемой нами «геологической среде» [Шварцев, 1998, 2010]. Таким образом, новые горизонты гидрогеологии связаны с расширением объекта ее исследований, а именно механизмов взаимодействия в системе вода-порода-газ-органическое вещество - техногенные продукты, т.е. взаимодействием с любыми косными, биокосными и живыми веществами. Именно такой подход к гидрогеологии наиболее полно соответствует подходам современной науки синергетики [Шварцев, 2010]. Границы геологической среды и зоны гипергенеза могут пересекаться и совпадать. Свежеполученные знания о выходе подземных газов, формирующих котлованы на Ямале, подтверждают большую роль газовой и органической составляющей геологической среды [http://www.sbras.info/articles/science/dalnii-rodstvennik-bermudskogo- treugolnika].
.....
Поиск путей полезного приложения ядерно-взрывных технологий в народном хозяйстве был начат вместе со становлением атомной эпохи как в США, так и СССР. Мощь и силу ядерных взрывов хотелось применить не только для разрушения, но и для созидания. В 1966 г. были изложены идеи использования энергии ядерных взрывов для народнохозяйственных и исследовательских целей [Из поколения побелителей, 2008], а именно:
1) ПЯВ может продуцировать мощные магнитные поля напряженностью в сотни млн. эрстед в объемах 1 м3 , что можно использовать для индукционного ускорения элементарных частиц (как ускорители);
2) ПЯВ для плутониевого и тритиевого бридинга (производства)
3) для повышения нефтеотдачи месторождений, для создания искусственных месторождений алмазов и других сверхтвердых соединений;
4) строительство каналов, плотин и т.п.
5) при запуске ракет за счет энергии ПЯВ (взрыволет)
6) как сигналы для установления контакта с внеземными цивилизациями и т.д. и т.п..
которые легли в основу Программы №7.
Большая часть мирных ПЯВ - 85 общей мощностью 758,7 кт в ТЭ была произведена на территории России (табл.1), из них 51 взрыв - в пределах криолитозоны на севере и северо-востоке России в условиях таежных и тундровых ландшафтов криолитозоны.
Всего 39 взрывов были проведены в качестве источников волн для глубинного сейсмозондирования по заказу Министерства геологии СССР; 41 - для создания подземных емкостей и хранилищ; 21 - для интенсификации добычи нефти и газа; 6 - для экскавационных экспериментов; 5 - для ликвидации аварийных газовых фонтанов; 4 - для образования провальных воронок; 4 - для захоронения вредных промышленных стоков и радиоактивных отходов; 2 - для дробления руды при ее подземной добыче; 1 - для
Таблица 1. Распределение по регионам СССР количества ПЯВ народно-хозяйственного назначения, проведённых за пределами спецполигонов [Мирные..., 2001]
Регион Число испытаний
Европейская часть РСФСР 48
Азиатская часть РСФСР 37
Казахская ССР 15
Украинская ССР 2
Узбекская ССР 2
Туркменская ССР 1
предупреждения внезапных выбросов угольной пыли и метана на угольных шахтах; 1 - для создания плотины хвостохранилища путем рыхления породы (рис.1,2). По другому подсчету: было произведено 116 мирных ПЯВ с использованием 124-х ядерных зарядов общей мощностью 1700 кТ в тротиловом эквиваленте (ТЭ) [Адамский и др., 2002]. Согласно Яблокову А.В. [Яблоков, 2003] было произведено вообще 169 мирных ПЯВ, в ходе которых было взорвано 173 ЯВУ (табл.2). Расхождение данных о количестве ПЯВ - это одно из следствий былой секретности программы и разных способов подсчета (по количестве ЯВУ или по количеству взрыва -события).
Таблица 2. Распределение ПЯВ по реализованной мощности ядерного заряда, кт в ТЭ [Яблоков, 2003]
Мощность заряда, кт в ТЭ
0.01-0.1 0.2-0.9 1-10 11-20 21-49 50-100 >100 Всего количество
ПЯВ
США 1 0 8 7 7 4 2 29
СССР 4 7 106 29 9 13 5 173
Всего 5 7 114 36 16 17 7 202
Согласно этих данных наиболее часто проводили ПЯВ вне зоны спецполигонов в начале 1980-х годов - до 11 ПЯВ в 1984 г. Среди мирных ПЯВ преобладали взрывы мощностью до 10 кт в ТЭ, на втором месте взрывы мощностью примерно 20 кт в ТЭ.
Первый в СССР ПЯВ «Чаган» мощностью 140 кт в ТЭ был произведен в 15 января 1965 г. для создания водохранилища, последний «Рубин-1» мощностью 8.5 кт в ТЭ для сейсмозондирования Земли - 6 сентября 1988 г.
Рис.1. Распределение ПЯВ народно-хозяйственного назначения по годам, проведенных в бывшем СССР [Мирные..., 2001].
В США программа ПЯВ народно-хозяйственного назначения была названа «Плаушер» (Плуг по англ., название взято из библии «сменим мечи на орала»), и была начата раньше, чем в СССР. Первый взрыв «Гном» был произведен 10 декабря 1961 г. Последний - «Рио Бланко» 17 мая 1973 г. Всего в США было проведено 23 мирных ПЯВ с использованием 27 ядерных зарядов, по данным Яблокова А.В. - 33 ПЯВ из 39 ядерных зарядов [Яблоков, 2003]. В США быстро свернули программу мирных ПЯВ, оценив низкую экономическую эффективность использования ядерно-взрывной технологии при решении народно-хозяйственных задач, или поняли масштабы зарождаемых взрывами экологических проблем, хотя продолжали взрывать на спецполигонах, напрмиер, Невада вплоть до сентября 1992 г.
Ядерное взрывное устройство (ЯВУ) состоит из собственно ядерного заряда и систем его подрыва и контроля, помещенных в металлический корпус [Мирные ядерные.., 2001]. Сжатые силой взрыва обычного взрывчатого вещества части из урана-235 или плутония-239 образуют критическую массу делящегося вещества. В результате возникает цепная реакция деления ядер, выделяется огромное количество энергии и происходит атомный взрыв. Известно, что обычно в боевых ЯВУ использовался шар из металлического Be с Y-238Pu покрытием в качестве импульсного нейтронного инициатора (урчина) - первичного источника нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции (сперва вместо 238Pu использовали 209Po). Урчина срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение 238Pu и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). Осколки вынужденного деления тяжелых делящихся материалов, представлены первоначально 80-тью изотопами 35-ти химических элементов от Zn до Gd. Первые атомные взрывные устройства для ПЯВ были именно такими. Однако для большей части ПЯВ, в том числе для рассматриваемых в данной работе, использовались не просто ядерные, а термоядерные взрывные устройства. При термоядерном взрыве энергия атомного взрыва урана-235 или плутония-239 служит «запалом» для начала термоядерной реакции синтеза (слияния) ядер изотопов водорода. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода (дейтерия 2Н и трития 3Н) в ядро гелия 4He и нейтрон. Реакция синтеза дает в сотню раз больше энергии, чем реакция ядерного деления. Гидрид лития поглощает нейтроны, возникшие в ходе ядерной реакции деления, в результате чего образуется тритий. Тритий вступает в реакцию с дейтерием (стабильный изотоп водорода), при этом снова выделяются нейтроны (происходит «зажигание»), которые затем вновь поглощаются гидридом лития с образованием трития, тритий реагирует с дейтерием и т.д. Все это происходит в миллионные доли секунды.
п + 141 Mev
Рис.2. Схема термоядерной реакции [http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Deuterium- tritium_fusi on. svg?usel ang=ru]
Подземный ядерный взрыв является одним из самых сильных техногенных воздействий, когда-либо оказанных человеком на геологическую среду [Яблоков, 2003, Адушкин, Спивак, 2007]. Под геологической средой, согласно Е.М. Сергееву [1982] понимается верхняя часть литосферы, находящаяся под воздействием инженерной деятельности человека, которая, в свою очередь, в известной степени определяет эту деятельность. В дальнейшем понятие «геологической среды» получило развитие как динамическая геосистема верхней части литосферы, состоящая из тесной взаимосвязи компонентов: «горные породы - подземные воды (в т.ч. нефти и др. жидкие углеводороды) - природные газы - микроорганизмы (живая составляющая), на которые воздействует техногенная деятельность человека [Радченко, Матусевич, Курчиков, 2011]. Мощность или глубина геологической среды определяется глубиной техногенного воздействия и глубиной, где происходят вызванные техногенным воздействием изменения. Например, при бурении глубоких скважин, добычи нефти и газов, глубина геологической среды исчисляется от нескольких до 6-7 километров. За верхнюю границу геологической среды принмают дневную поверность земли, где геологическая среда активно взаимодействует с атмосферой и гидросферой [Радченко и др., 2011].
Техногенное воздействие может оказываться как на геосистему в целом, так и избирательно на отдельные ее компоненты. При этом важны изменения не только в горных породах, но и в подземных водоносных горизонтах, в движении подземных газов. В работах Шварцева С.Л. касательно зоны гипергенеза и гидрогеологических проблем также раскрывается понятие единой системы «горная порода - подземные воды - органическое вещество - газы», в которой подчеркивается сложная система взаимосвязей горных пород и флюидов (жидкой и газовой фаз), и тем самым близко к выделяемой нами «геологической среде» [Шварцев, 1998, 2010]. Таким образом, новые горизонты гидрогеологии связаны с расширением объекта ее исследований, а именно механизмов взаимодействия в системе вода-порода-газ-органическое вещество - техногенные продукты, т.е. взаимодействием с любыми косными, биокосными и живыми веществами. Именно такой подход к гидрогеологии наиболее полно соответствует подходам современной науки синергетики [Шварцев, 2010]. Границы геологической среды и зоны гипергенеза могут пересекаться и совпадать. Свежеполученные знания о выходе подземных газов, формирующих котлованы на Ямале, подтверждают большую роль газовой и органической составляющей геологической среды [http://www.sbras.info/articles/science/dalnii-rodstvennik-bermudskogo- treugolnika].
.....
В результате проведенных исследований установлено, что полости ПЯВ вне зависимости от режима их проведения: штатного или аварийного, и геологических условий являются открытыми системами. Особенности геологической среды обуславливают различные сценарии развития системы «полость взрыва МПЯВ - вмещающая геологическая среда - поверхностные системы» на долговременную перспективу. Тектонические разломы, трещиноватые зоны, сквозные талики, пористые гранулярные горные породы это флюидопроницаемыми геоструктурами, которые могут стать проводником подземной активности из полостей взрывов в поверхностные системы.
1. Верхний слой, соответствующий ранним временам (t < 2 мс) регистрации при зондировании методом переходных процессов с измеренными кажущимися удельными электрическими сопротивлениями от 30 до 1200 Ом-м интерпретирован как слой многолетнемерзлых пород. При этом породы с р1>>100 Ом-м отнесены к сохранным мерзлым породам, а с р1< 100 Ом-м - к деградировавшим «отепленным влажным», среди которых участки пород с р1 < 50 Ом-м условно отнесены к талым.
2. Механическое разрушение горных пород при ПЯВ: появление зоны дробления, зоны трещинообразования вокруг полости взрыва, столба обрушения над полостью взрыва, у поверхности земли - откольной зоны с «талыми окнами» в многолетнемерзлом слое сформировали вертикально- ориентированную флюидопроницаемую ослабленную зону вокруг боевых скважин радиусом примерно 200 м, через которую идет выход радионуклидов и сопутствующих элементов на поверхность земли.
3. В пределах ослабленных зон вокруг боевых скважин, расположенных на низких склонах речных долин, наблюдается деградация многолетней мерзлоты, которая проявляется снижением удельного электрического сопротивления (< 100 Ом-м), уменьшением его мощности и развитием термокарстового полигонально-холмистого «байджарахового» рельефа.
4. Естественные флюидопроницаемые геоструктуры: разломы, подземные водоносные горизонты, трещиноватые контактные зоны кимберлитов и траппов являются проводниками для переноса радионуклидов по системе «полость взрыва - вмещающая геологическая среда --- поверхность земли».
5. С помощью зондирования методом переходных процессов выявлены локальные поднятия напорных подземных рассолов по ослабленным зонам вокруг боевой скважины - на 260-300 м и по зоне разлома - на 100-300 м.
6. В местах выхода радиоактивных подземных флюидов на поверхность земли в донных отложениях и поверхностных водах повышаются: а) активности техногенных радионуклидов: 3Н - в 2-34 раза (до 170 Бк/л), 90Sr - в 2-16 (до 2 Бк/л в воде), 239+240Pu - в 10-25 (до 0.26 Бк,л) выше регионального фонового уровня; б) концентрации лантаноидов, Y, Co, Be и других редких металлов в несколько раз по сравнению с местным фоновым уровнем; кроме того снижается изотопное отношение 238U/235U до 126.80 (вместо естественного 138). В подземных рассолах, загрязненных радионуклидами, активность трития достигает 146 Бк/л, 90Sr - 5.1 Бк/л, 239+240Pu - 0.2 Бк/л, 238Pu - 0.2 Бк/л.
Вместе с тем, как правило, активности техногенных радионуклидов в целом низкие и уровни вмешательства, установленные нормами радиационной безопасности, не достигаются.
7. На площадках ПЯВ в пределах ослабленной зоны вокруг боевых скважин выявлены соленые хлоридные поверхностные воды (с минерализацией, как правило, выше 1 г/л) в отличие от пресных гидрокарбонатных, гидрокарбонатно-сульфатных поверхностных вод, характерных для этих районов.
8. В условиях элизионной водонапорной системы района ПЯВ «Кристалл» и «Кратон- 3» радиоактивные флюиды двигаются к поверхности земли.
9. На Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении в верхней части разреза характерна элизионная водонапорная система, а в нижней части (на глубине 1800¬2100 м) она сменяется в аномально - депрессионную с дефицитом пластового давления от 2.5 до 5 МПа. В этих условиях радионуклиды переносятся как к поверхности земли, так и в нижезалегающие горизонты (в зависимости от взаиморасположения флюидопроницаемых геоструктур), что подтверждается геохимическими данными, в т.ч. выявлением техногенных радионуклидов в рассолах горизонта на 250 м ниже по разрезу в 6 км от объектов ПЯВ.
10. В условиях инфильтрационной водонапорной системы района ПЯВ «Кратон-4» преобладает латеральное движение подземных флюидов и слабый выход радионуклидов из зоны взрыва на поверхность земли.
11. Многослойные мощные пласты каменной соли, отличающиеся пластичностью, свойством залечивать старые и вновь возникающих трещины и разломы, в районе Средне- Ботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения не обеспечивает в полной мере изоляцию подземной активности объектов ПЯВ в геологической среде, поскольку наблюдается выход техногенных радионуклидов на поверхность земли.
12. Наблюдается взаимодействие геотехногенных систем ПЯВ с горнодобывающими геотехногенными системами при создании искусственных депрессионных воронок, к которым устремляются радиоактивные подземные флюиды из зон взрывов по системе «полость взрыва - вмещающая геологическая среда - карьер, буровая скважина - и далее возможно: поверхность земли».
13. Разработанные концептуальные геоэкологические модели ПЯВ «полость взрыва - вмещающая геологическая среда ---поверхность земли» количественно охарактеризованы физическими эмпирическими формулами, геофизическими параметрами удельного электрического сопротивления пород, геохимическими параметрами - количественным содержанием хлоридов Na+, Ca2+, Mg2+, техногенных радионуклидов и сопутствующих элементов в поверхностных водах, донных отложениях и подземных рассолах.
На основе разработанной геоэкологической модели и ее верификации на целом ряде объектов, сделаны практические рекомендации по мониторингу объектов ПЯВ, периодичности замеров и густоты сети наблюдений. Дальнейшее совершенствование модели будет происходить при выявлении с ее помощью других аномалий различной природы
1. Верхний слой, соответствующий ранним временам (t < 2 мс) регистрации при зондировании методом переходных процессов с измеренными кажущимися удельными электрическими сопротивлениями от 30 до 1200 Ом-м интерпретирован как слой многолетнемерзлых пород. При этом породы с р1>>100 Ом-м отнесены к сохранным мерзлым породам, а с р1< 100 Ом-м - к деградировавшим «отепленным влажным», среди которых участки пород с р1 < 50 Ом-м условно отнесены к талым.
2. Механическое разрушение горных пород при ПЯВ: появление зоны дробления, зоны трещинообразования вокруг полости взрыва, столба обрушения над полостью взрыва, у поверхности земли - откольной зоны с «талыми окнами» в многолетнемерзлом слое сформировали вертикально- ориентированную флюидопроницаемую ослабленную зону вокруг боевых скважин радиусом примерно 200 м, через которую идет выход радионуклидов и сопутствующих элементов на поверхность земли.
3. В пределах ослабленных зон вокруг боевых скважин, расположенных на низких склонах речных долин, наблюдается деградация многолетней мерзлоты, которая проявляется снижением удельного электрического сопротивления (< 100 Ом-м), уменьшением его мощности и развитием термокарстового полигонально-холмистого «байджарахового» рельефа.
4. Естественные флюидопроницаемые геоструктуры: разломы, подземные водоносные горизонты, трещиноватые контактные зоны кимберлитов и траппов являются проводниками для переноса радионуклидов по системе «полость взрыва - вмещающая геологическая среда --- поверхность земли».
5. С помощью зондирования методом переходных процессов выявлены локальные поднятия напорных подземных рассолов по ослабленным зонам вокруг боевой скважины - на 260-300 м и по зоне разлома - на 100-300 м.
6. В местах выхода радиоактивных подземных флюидов на поверхность земли в донных отложениях и поверхностных водах повышаются: а) активности техногенных радионуклидов: 3Н - в 2-34 раза (до 170 Бк/л), 90Sr - в 2-16 (до 2 Бк/л в воде), 239+240Pu - в 10-25 (до 0.26 Бк,л) выше регионального фонового уровня; б) концентрации лантаноидов, Y, Co, Be и других редких металлов в несколько раз по сравнению с местным фоновым уровнем; кроме того снижается изотопное отношение 238U/235U до 126.80 (вместо естественного 138). В подземных рассолах, загрязненных радионуклидами, активность трития достигает 146 Бк/л, 90Sr - 5.1 Бк/л, 239+240Pu - 0.2 Бк/л, 238Pu - 0.2 Бк/л.
Вместе с тем, как правило, активности техногенных радионуклидов в целом низкие и уровни вмешательства, установленные нормами радиационной безопасности, не достигаются.
7. На площадках ПЯВ в пределах ослабленной зоны вокруг боевых скважин выявлены соленые хлоридные поверхностные воды (с минерализацией, как правило, выше 1 г/л) в отличие от пресных гидрокарбонатных, гидрокарбонатно-сульфатных поверхностных вод, характерных для этих районов.
8. В условиях элизионной водонапорной системы района ПЯВ «Кристалл» и «Кратон- 3» радиоактивные флюиды двигаются к поверхности земли.
9. На Среднеботуобинском нефтегазоконденсатном месторождении в верхней части разреза характерна элизионная водонапорная система, а в нижней части (на глубине 1800¬2100 м) она сменяется в аномально - депрессионную с дефицитом пластового давления от 2.5 до 5 МПа. В этих условиях радионуклиды переносятся как к поверхности земли, так и в нижезалегающие горизонты (в зависимости от взаиморасположения флюидопроницаемых геоструктур), что подтверждается геохимическими данными, в т.ч. выявлением техногенных радионуклидов в рассолах горизонта на 250 м ниже по разрезу в 6 км от объектов ПЯВ.
10. В условиях инфильтрационной водонапорной системы района ПЯВ «Кратон-4» преобладает латеральное движение подземных флюидов и слабый выход радионуклидов из зоны взрыва на поверхность земли.
11. Многослойные мощные пласты каменной соли, отличающиеся пластичностью, свойством залечивать старые и вновь возникающих трещины и разломы, в районе Средне- Ботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения не обеспечивает в полной мере изоляцию подземной активности объектов ПЯВ в геологической среде, поскольку наблюдается выход техногенных радионуклидов на поверхность земли.
12. Наблюдается взаимодействие геотехногенных систем ПЯВ с горнодобывающими геотехногенными системами при создании искусственных депрессионных воронок, к которым устремляются радиоактивные подземные флюиды из зон взрывов по системе «полость взрыва - вмещающая геологическая среда - карьер, буровая скважина - и далее возможно: поверхность земли».
13. Разработанные концептуальные геоэкологические модели ПЯВ «полость взрыва - вмещающая геологическая среда ---поверхность земли» количественно охарактеризованы физическими эмпирическими формулами, геофизическими параметрами удельного электрического сопротивления пород, геохимическими параметрами - количественным содержанием хлоридов Na+, Ca2+, Mg2+, техногенных радионуклидов и сопутствующих элементов в поверхностных водах, донных отложениях и подземных рассолах.
На основе разработанной геоэкологической модели и ее верификации на целом ряде объектов, сделаны практические рекомендации по мониторингу объектов ПЯВ, периодичности замеров и густоты сети наблюдений. Дальнейшее совершенствование модели будет происходить при выявлении с ее помощью других аномалий различной природы