книги из ГПНТБ / Горбушина, Л. В. Радиоактивные и стабильные изотопы в геологии и гидрогеологии

ЧЦСВ и ЧЦИВ — число циклов седнментацнонмого и ннфильтрационного водообмена соответственно.

мическим и геологическим показателям. Эти данные показы­ вают существование общей закономерности в их изменении. По мере перехода к более древним и глубоко залегающим комплексам меняется состав вод по солевым и газовым со­ ставляющим, возрастает минерализация, содержание радия и дейтерия, снижается содержание урана.

Аналогичные результаты были получены авторами работы [14], где рассматриваются возможности сопоставления данных по дейтерию с концентрацией воздушного аргона. В результа­ те исследований установлена корреляция между содержани­ ем дейтерия в пластовых водах и концентрацией воздушного аргона в контактирующих с ними газовых залежах. С пони­ жением содержания дейтерия концентрация воздушного арго­ на возрастает. Было показано, что концентрация дейтерия оп­ ределяется гидрогеологическими факторами и что воздушный аргон поступает в залежи из пластовых вод через поверхност­ ные воды, контактирующие с атмосферой.

На основе рассмотренных материалов Бухаро-Каршинский артезианский бассейн подразделяют на несколько гидрогео­ логических областей с характерным для каждой из них ре­ жимом подземных вод; указанные области не имеют между собой активной гидродинамической связи. Следовательно, Бу­ харо-Каршинский артезианский бассейн нельзя рассматривать в классическом понимании, т. е. с областями питания в зоне обрамляющих его горных сооружений, длинными путями транзита и областями разгрузки. Фактически режим подзем­ ных вод в каждой гидрогеологической зоне контролируется ее тектоническим строением. В пределах Бухаро-Каршинско- го бассейна крупные блоковые поднятия (Газлинское, Каганское, Мубарекское) и разделяющие их прогибы, как правило, сопровождающиеся крупными вертикальными нарушениями, определяют все своеобразие режима подземных вод и особен­ ность их состава.

ГЛАВА 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ПО ВОЗРАСТУ ВОД „ И СОДЕРЖАНИЮ ИЗОТОПОВ ПРИ ВЫБОРЕ РАЙОНОВ

ВОЗМОЖНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ ПРОМОТХОДОВ и стоков

Захоронение отходов химической и атомной промышленно­ сти является в настоящее время одной из актуальных про­ блем [10, 55]. Повышенный интерес к способам удаления про­ мышленных отходов (захоронению) подтверждается значи­ тельным числом патентов, выданных, например, в США.

Один из способов захоронения предложен в патенте США «Обезвреживание радиоактивных продуктов и подземное хра­ нилище для них» (№ 3236053). Автор предлагает вымывать прилегающие к скважине участки солевых пластов, что при­

71

ведет к образованию вертикальных полостей вокруг скважи­ ны. Растворенную соль удаляют из указанных полостей, пос­ ле чего раствор радиоактивного материала, подлежащего за­ хоронению, смешивают с щелочью и подают в одну или не­ сколько полостей. Затем производят уплотнение отходов для предотвращения утечки из скважины радиоактивных ма­ териалов.

По другому способу (патент США № 3274784 «Способ смешивания и захоронения отходов атомной промышленности и составные элементы этой смеси») бурят скважину в скаль­ ном грунте несколькими горизонтальными трещинами доста­ точных размеров. Параметры таких трещин зависят от усло­ вий создания естественного защитного экрана от излучения

вводят отвердевающее вещество без радиоактивных отходов, предназначенное для закупоривания трещины.

В патенте ФРГ «Способ удаления радиоактивных или ядо­ витых остатков и устройство для его осуществления» (№ 1236944), рекомендуется помещать радиоактивные отхо­ ды, заключенные в капсулу, в подземное пустое пространство, окруженное водонепроницаемой горной породой. Пространст­ во заполняется жидкой средой, в частности солевым раство­ ром, не растворяющим окружающую породу, таким образом,

что возможности для приема отходов в искусственные храни­ лища очень ограничены. В связи с этим возрастает интерес к возможности подземного захоронения промстоков в глубо­ кие водоносные горизонты или отдельные структуры, содер­ жащие воды, непригодные для хозяйственно-питьевого и тех­ нического водоснабжения, бальнеологических целей или добы­ чи полезных ископаемых.

Для выявления геологических структур, благоприятных для закачки жидких промстоков, в настоящее время исследу­ ется лишь геологическое и гидрогеологическое строение райо­ на. Основная цель этих исследований — установить степень гидрогеологической закрытости изучаемого района, изолиро­ ванность от других водоносных горизонтов и дневной поверх­ ности. При этом необходимо установить, имела ли место ин­ фильтрация поверхностных вод в исследуемый горизонт в прошлом и происходит лиона в настоящее время. Важно так­ же знать, когда начались процессы наиболее интенсивной инфильтрации.

В последнее время при решении этих задач стали исполь­ зовать комплекс радиогеохимических и изотопных методов ис­ следования подземных вод и содержащихся в них газов.

72

Известно, что, изучая изотопный состав воды (точнее, от­ носительную концентрацию дейтерия 6D и изотопа 180 —6180 в водах), можно установить, происходило ли за время сущест­ вования вод в данном районе их смешение с другими водами, и определить генезис вод. Следовательно, можно оценить сте­ пень гидрогеологической закрытости бассейна (структуры) и тем самым определить возможность использования данной структуры или бассейна в целом для закачки промотходов. Возможность такой оценки рассмотрена в начале настоящей работы.

Многочисленные расчеты пропорций смешения вод в бас­ сейнах и долей первичных вод показывают, что процесс за­ мещения седиментационных пластовых вод инфильтрационными развит весьма широко и охватывает большие районы и глубины.

В табл. 19 приведены пределы изменения долей первичных вод в разных частях некоторых артезианских бассейнов Со­ ветского Союза. Доли первичных вод рассчитаны по дейте­ рию с помощью выражения (15). Расчеты показывают, что почти во всех бассейнах, даже в пределах одного водоносно­ го комплекса, имеет место смешение вод. Большие интервалы колебаний долей первичных вод указывают на сильную гидро­ геологическую неоднородность водоносных горизонтов. Даже в пределах одного горизонта могут встречаться участки, ха­ рактеризующиеся различной степенью застойности вод.

73

Учитывая неоднородность водоносных горизонтов, мы так­ же предлагаем определить отношение эффективного возрас­

вод в данном участке бассейна и позволяет сопоставлять сте­ пень застойности вод разных зон одного и того же бассейна и разных бассейнов в целом.

Ниже сделана попытка использовать данные по содержа­ нию изотопов (по ним произведен расчет долей вод в смеси), возрасту вод и другие параметры с учетом гидрогеологическо­ го строения бассейна при решении вопроса о возможности захоронения отходов в тот или иной горизонт некоторых бас­ сейнов Союза.

В табл. 20 для некоторых артезианских бассейнов приве­ дены средние данные по эффективному возрасту подземных вод, концентрации дейтерия, долям смеси вод и времени ин­ фильтрации. С учетом приведенных ниже гидрогеологических характеристик сделаны выводы о возможности захоронения промстоков.

Совершенно очевидно, что выводы об условиях захороне­ ния отходов в тот или иной горизонт бассейна, приведенные в табл. 20 и сделанные на основе изотопных исследований, не являются окончательными и решающими: их следует прини­ мать во внимание при анализе геологического и гидрогеоло­ гического строения бассейна, при решении вопроса о возмож­ ности захоронения отходов в данный участок бассейна.

Остановимся несколько подробнее на отдельных бассей­ нах.

Подземные минеральные воды Ташкентского артезианско­ го бассейна представляют большую народно-хозяйственную ценность, поэтому говорить о захоронении отходов в какойлибо горизонт бассейна невозможно. Можно обсуждать этот вопрос лишь с методической точки зрения. Подробная харак­ теристика бассейна дана в главе, посвященной этому бассей­ ну. Из описания очевидно, что центральная, глубинная часть бассейна промыта в незначительной степени. Местами воз­ раст вод в глубинных участках достигает 7 млн. лет. В крае­ вых частях бассейна существует весьма развитая зона совре­ менной инфильтрации со сравнительно молодыми водами. В этой зоне имеет место сдвиг равновесия между ураном и радием в сторону радия. Расчеты показывают, что вынос ура­ на из пород этой зоны происходит примерно 400 тыс. лет. Очевидно, что захоронение отходов в такую часть бассейна невозможно и с методической точки зрения.

Иная и очень неоднородная картина в Бухаро-Каршинском бассейне. Воды юрского водоносного комплекса характери­ зуются максимальными концентрациями дейтерия, 180, мини­ мальными — урана. Коэффициент застойности близок к еди-

74

*Возраст древних вод 85 млн. лет [рассчитан по выражению (17)].

**Возраст древних вод 108 млн. лет (по геологическим данным).

нице, доля седиментацион'ных вод составляет 0,7 и более. Ин­ фильтрация вод в бассейне началась примерно 46 млн. лет назад (в палеогене). С этих позиций юрский комплекс благо­ приятен для захоронения в нем отходов. Воды нижнемелового комплекса отличаются по изотопным показателям от вод юр­ ского комплекса. Содержание дейтерия в водах здесь ниже, урана — выше. Возраст вод колеблется от 40 до 100 млн. лет (в северо-западной части бассейна), коэффициент застойно­ сти равен 0,75. Закономерные изменения этих показателей в юго-восточном направлении указывают на то, что воды ниж­ немеловой толщи испытывают воздействие современной ин­ фильтрации за счет вод, поступающих с Гиссаро-Зеравшан- ской горной системы.

Нижнемеловые отложения бассейна могут быть только ча­ стично рекомендованы для захоронения, а именно, северо-за­ падный участок бассейна с сохранившимися более застойны­ ми условиями, чем на востоке. Наименее пригодными являют­ ся отложения сеномана и альба, что связано с высокой гидро­ динамической активностью вод данных горизонтов. Подтвер­ ждением этому и являются большие значения коэффициента застойности, низкие значения концентрации дейтерия и по­ вышенные отношения 234U/238U.

Возраст вод сеноман-альбского комплекса изменяется от 1 до 50—60 млн. лет, причем увеличение возраста происходит в направлении с юго-востока на северо-запад, по движению вод.

Подземные воды Кызыл-Кумского артезианского бассейна приурочены к меловым породам. Результаты палеографиче­ ских исследований говорят о существовании здесь в меловое время морского режима. Однако низкие концентрации дейте­ рия в современных водах и значения пропорций смеси вод указывают, что древние морские воды были вытеснены по­ следующей инфильтрацией пресных вод. Для одного из участ­ ков бассейна отношение изотопов 23-*и/238и вырастает до 3,7, что указывает также на интенсивную циркуляцию вод. По­ следнее подтверждается также значением возраста вод. Эти данные позволяют сделать вывод о неблагоприятных услови­ ях в этом бассейне для захоронения в нем отходов.

В Волго-Уральском артезианском бассейне имеются раз­ личные по возможностям захоронения промотходов участки [32]. В водах каменноугольных отложений на Жирновско-Бах- метьевском месторождении содержание дейтерия ниже, чем в водах тех же отложений на других участках этого же райо­ на, что объясняется подтоком поверхностных вод с низкой концентрацией дейтерия в пластовые воды указанного место­ рождения. Наличие здесь местной области питания палеозой­ ских водоносных комплексов подтверждается гидродинамиче­ скими и гидрохимическими данными. Отсюда следует, что

76

Г Л А В А 4

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ПО ВОЗРАСТУ ВОД И ИЗОТОПНОМУ СОСТАВУ ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ СВОЙСТВ

ГАЗОНЕФТЕУПОРНЫХ ТОЛЩ (ПОКРЫШЕК) ПРИ ПОИСКАХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

При поисках месторождений нефти и газа очень важно установить физические свойства газонефтеупорных толщ, пе­ рекрывающих месторождение. Кроме комплекса геологиче­ ских и геофизических исследовании, для этого проводят опре­ деление концентрации газов (гелия, аргона, углеводородов и др.) в почвах и подземных водах исследуемого района. По­ вышенная по сравнению с фоновой концентрация газов в во­ дах говорит о наличии газоупорной толщи.

Недостатком измерения суммарной концентрации газов (например, гелия и аргона), а не их изотопов, является то,

дах в зависимости от возраста пород и их радиоактивности, а также рассмотрено их происхождение [43, 71].

Ниже будет показана целесообразность изотопных иссле­ дований при решении поставленной задачи—изучения свойств газонефтеупорных покрышек.

На примере Бухаро-Каршинского бассейна покажем, как изменяется количество 4Не, образующегося в породах, в зави­ симости от содержания в них радиоактивных элементов. Как видно из табл. 21, количество 4Ие, генерируемое 1 г породы, колеблется от 34,5- 10-14 до 53,6 •10-14 см^/год, т. е. концент­ рация 4Не в породах будет изменяться в зависимости от со­ держания радиоактивных элементов в породах этого бассей­ на почти в два раза. Очевидно, что концентрация радиоген­ ных газов и отношения Не/Аг, He/Ne и т. д. в водах и газах зависит от гидрогеологической обстановки района, от нали­ чия и качества газоупорных толщ (покрышек).

Для более надежного установления физических свойств регионально выдержанных газонефтеупорных толщ (покры­ шек) в проб'ах растворенных и спонтанных газов следует оп­ ределять концентрацию радиогенных изотопов газа (4Не, 40Аг, Хе, Кг) и газа атмосферного происхождения Ne. Преимуще­ ства использования данных по концентрации неона перед суммарными определениями аргона состоят в том, что все изотопы неона — атмосферного происхождения. При опреде-

73

Т а б л и ц а 21

Образование гелия различными типами осадочных пород (Бухаро-Каршинский бассейн)

лении аргона следует учитывать наличие радиогенного изото­ па 40Аг.

Для оценки качества водо- и газоупорных горизонтов предлагаем ввести понятие «фактор сохранности /». Под фак­ тором сохранности понимаем отношение фактического коли­ чества радиогенного газа (например, 4Не) в 1 см3 пластовой воды к количеству газа, которое могло образоваться при рас­ паде естественно радиоактивных элементов в объеме горной породы за время ее существования и заключено в ее порах. Чем больше величина f, тем лучше качество покрышки.

В табл. 22 приведены рассчитанные значения фактора со­

79