Гидрогеологические свойства вмещающих пород.

Гидрогеологические свойства пород имеют важное значения в связи с тем, что именно подземные воды являются причиной возможного выноса радионуклидов из могильника и их попадания в биосферу. Поэтому одно из основных требований при размещении могильника в геологической среде состоит в том, чтобы в породе циркулировало минимальное количество воды. В зависимости от природы вмещающей породы это требование может быть удовлетворено в различной степени. Так, если многие соляные формации практически исключают циркуляцию подземных вод, то скальные породы и глинистые породы содержат некоторое количество подземных вод, поток которых зависит от гидравлических свойств пород и существующих гидравлических градиентах.

Соляные формации. Эти формации характеризуются чрезвычайно низкой проницаемостью. Их физико-химические свойства обеспечивают заполнение большинства структурных разуплотнений (пустоты, трещины) с помощью пластических деформаций и рекристаллизации. Заполнение трещин может нарушаться только в частных случаях, например, на небольшой глубине и когда скорость вымывания соли водой больше чем скорость заполнения трещин. Другая возможность для миграции жидкости в солях состоит в движении вдоль слоев с большей проницаемостью, таких как ангидрит. Такие возможности могут быть исключены с помощью детальных исследований на площадке размещения могильника и строительства могильника на подходящей глубине. Поэтому в ближнем поле может находиться только вода, которая содержится в межзерновом пространстве и в виде жидких включений.

Суммарное содержание воды в соляных породах составляет 1-2% в пластовых солях и обычно менее 1% в соляных куполах. Кроме того, в таких минералах как полигалит и карналлит может присутствовать вода кристаллизации. Эта вода выходит при определенной температуре для различных минералов и может быть значительной в ближнем поле. Выемка грунта при создании могильника не будет оказывать очень сильного влияния на воду, присутствующую в породе. В температурном поле вокруг системы захоронения жидкие включения, также как свободная вода из гидратированных минералов, мигрирует в направлении более высоких температур, т. е. в направлении к отходам, где она вступает в реакцию с барьерами и отходами. В результате выхода компонентов соли или газов, образованных в процессе процессов коррозии и радиолиза, будет повышаться давление в свободных объемах в скважине и межзерновых порах вблизи скважины. Если скважина является газопроницаемой, то вышедшие радионуклиды могут распространяться потоком газов, уходящих из скважины.

Кристаллические породы. Циркуляция грунтовых вод в скальных породах определяется степенью раскрытия и взаимосвязями трещин, а также региональным гидравлическим градиентом. Гидравлическая проводимость скальных пород может различаться на несколько порядков. Водосодержащие массивы гранита, базальта или других изверженных (магматических) и метаморфических пород, которые имеют высокую плотность открытых трещин, могут рассматриваться как водоносные формации. Некоторые массивы гнейсов или гранитов характеризуются низкой гидравлической проводимостью, сопоставимой с проводимостью глины.

Скальные породы, пригодные для захоронения РАО, должны обеспечивать небольшой перенос подземных вод по трещинам, большинство из которых являются закрытыми в результате их заполнения и действия давления вышележащих слоев. Типичная гидравлическая проводимость в таких средах находится в диапазоне 10^-9 – 10^-10 м/с. Потоки воды будут определяться гидравлическим градиентом и существующими траекториями, зависящими от расстояния, ориентации и взаимосвязями трещин. Как правило, движение воды по поровому пространству в матрице породы незначительно. Строительство могильника в таких средах будет модифицировать потоки подземных вод еще до того, как в нем будут размещены отходы. В процессе строительства и эксплуатации, а также в течение нескольких десятилетий после закрытия, горная выработка будет находиться при атмосферном давлении, и будет существовать значительный градиент между помещениями выработки и водой в породе. Этот градиент зависит от гидрогеологических условий в районе размещения могильника и в результате этого градиента подземные воды будут поступать во вспомогательные выработки, которые использовались, например, для вентиляции в процессе строительства и эксплуатации могильника.

После закрытия (запечатывания) могильника региональный поток подземных вод будет медленно возвращаться к исходным условиям. Однако присутствие могильника может оказать значительные локальные эффекты. Например, проницаемость закладочных материалов будет отличаться от проницаемости породы, которую они заменяют. Если закладочный материал в выработке имеет более высокую проводимость чем окружающая порода, то все траектории потока воды, которые пересекаются выработкой, могут быть взаимосвязаны и существенно отличаться от природных условий. Буферный материал, окружающий упаковки с отходами, является пористой средой с проницаемостью несколько ниже, чем окружающая порода. Траектория потока в большей степени будет проходить вокруг буферного массива, а водообмен между породой и буферным материалом в значительной мере будет происходить за счет диффузии. В результате горных работ при строительстве подземных выработок, порода в непосредственной близости от выработок (нарушенная зона массива) может приобрести более высокую гидравлическую проводимость. Это может привести к локальному увеличению скорости потока в приконтурной зоне породного массива.

Тепловыделения отходов будут усложнять систему, и гидрологические последствия нагрева могут быть значительными. Например, при повышении температуры вязкость воды снижается, и твердые материалы могут оказать влияние на движение воды. Тепловое расширение породных блоков может формировать напряжения, в результате которых различные трещины могут либо закрываться, либо открываться. Следовательно, проницаемость отдельных трещин может или увеличиваться, или уменьшаться в зависимости от их ориентации по отношению к напряжениям, обусловленных нагревом. Кроме того, возможно проявление локальных и временных эффектов плавучести, обусловленных различием в плотности теплой и холодной воды. Некоторые теоретические исследования показали, что эффекты плавучести могут настолько сильными, что позволяют преодолевать региональный гидравлический градиент и создавать ячейки конвекции, способные вызвать вертикальное движение воды с глубины.

Детальные оценки этих эффектов возможны только для конкретных площадок, когда известны природные гидрогеологические условия и конструктивно-компоновочная схема могильника. Во многих случаях возможны упрощающие предположения, например, когда с помощью моделирования и анализа чувствительности всей системы и радиологического воздействия могильника на окружающую среду может быть показано, что процессы в ближнем поле являются незначительными по сравнению с процессами в дальнем поле. С другой стороны, свойства ближнего поля определяют количество и скорость выхода радионуклидов в дальнее поле.

Глинистые породы. Как правило, глинистые породы характеризуются очень низкой проницаемостью. Пористость может изменяться от высоких значений в молодых, неконсолидированных пластах до низких значений в хорошо консолидированных[6] материалах. Другие физические свойства в большей или меньшей мере зависят от степени консолидации и пористости. В некоторых высоко в консолидированных глинах проявляется хрупкость и, подобно скальным породам, они могут быть пересечены системой трещин. Другими факторами, оказывающими влияние на физические свойства глин, являются минеральный состав и вариации в размерах частиц. Однако, независимо от их физических свойств, большинство глинистых пластов считаются непроницаемыми.

Пренебрегая, на время твердыми глинистыми породами, в которых вода может циркулировать по трещинам, можно утверждать, что глинистые пласты, в которых вода движется по порам, ведут себя подобно полупроницаемым мембранам. Проницаемость таких мембран может быть различной для разных жидкостей. Так, например, многие глинистые пласты, которые способны предотвратить утечку углеводородов (вследствие капиллярного давления в жидкой и газообразной фазах), могут проводить воду. Энергия, необходимая для движения воды через глины, может быть обеспечена за счет сжатия пластов, гидравлических градиентов или даже возможных теплового или электрического градиентов. Когда вода движется через глины посредством диффузии, действует механизм ионной фильтрации, который приводит к формированию градиентов солесодержания в жидкой фазе. Так как глины являются осадочными материалами, могут существовать вариации в вертикальной стратификации, даже на коротком расстоянии. С другой стороны, горизонтальные вариации имеют место на более значительных расстояниях. В результате этого, глинистые породы могут быть анизотропными и проницаемость в вертикальном направлении может значительно отличаться от проницаемости в горизонтальном направлении. Основное внимание уделяется вертикальной проводимости, поскольку горизонтальные размеры глинистых формаций значительно больше и поток подземных вод через глины обычно осуществляется посредством разницы в напоре в вышележащих и нижележащих водоносных слоях. Типичные значения проницаемости в глинистых отложениях изменяется в диапазоне от 10^-10 до 10^-13 м/с. После размещения отходов и запечатывания могильника условия в ближнем поле могут различаться в зависимости от деталей проекта могильника. Например, в могильнике, основанном на использовании выработок, контейнеры с отходами могут быть размещены либо в скважинах, пробуренных из галерей, либо внутри самих галерей. В последнем случае, в пространстве между контейнерами и глиной могут быть размещены различные закладочные или буферные материалы. Гидравлические свойства системы, состоящей из туннелей с их облицовкой (или креплением), контейнеров, окруженных различными буферными материалами, будут отличаться от гидравлических свойств нетронутой глинистой формации.

После запечатывания всех связей с поверхностью, любые пустоты или пористые материалы с проницаемостью большей, чем проницаемость вмещающей породы в глинистой формации, первоначально действовали бы как слив (раковина). Вследствие разницы в давлении это бы вызвало движение воды из породы, которому противостояла бы высокая температура, обусловленная тепловыделением отходов. В конце концов, все пустоты и поры в буферном слое оказались бы заполненным жидкостью, которая будет находиться в равновесном давлении геологической формации. С этого момента региональный поток воды во вмещающей породе вернулся бы к тому, который существовал до проведения горных работ.

Контейнеры с отходами, размещенные в скважинах, пробуренные с поверхности или из галерей, могут находиться в непосредственном контакте с глиной. Предполагается, что верхняя часть каждой скважины будет закрыта сразу же после размещения в ней отходов и не будет никаких связей с поверхностью или галереей. Гидрологические последствия такой системы могут быть разделены на последствия внутри формации и в скважине. В обоих случаях главные эффекты обусловлены тепловыделениями отходов и зависят от максимальной температуры, которая будет достигнута на границе между глиной и контейнерами. Если температура достаточно высокая для образования пара, то в свободном пространстве скважины будет повышаться давление и будет формироваться градиент давления, следствием которого будет увеличение потока жидкости в радиальном направлении. Если повышение температуры недостаточно для образования пара, то поток будет формироваться под действием теплового расширения поровой жидкости и твердой породы. После окончания эффектов теплового воздействия, поток подземных вод вернется к природным условиям.

Туфы. Туфообразные породы могут встречаться в виде пористых не спекшихся, частично спекшихся и спекшихся блоков. Спекшиеся туфы обычно имеют низкую проницаемость породной матрицы. Однако, присутствие трещин в таких блоках может повышать их эффективную гидравлическую проводимость. Для могильника, размещаемого ниже уровня грунтовых вод, желательно наличие породного блока с малой трещиноватостью и низкой матричной проводимостью. При размещении могильника выше уровня грунтовых вод, наличие трещин может быть желательной характеристикой, так как эти трещины могут быть полезными в дренаже могильника и могут предотвратить накопление стоячей воды.

Исследования взаимодействия воды со спекшимися, раскристаллизованными туфами при повышенных температурах показали небольшие изменения в химии воды. Это обусловлено тем, что присутствующие минералы имеют низкую растворимость и реактивность. Больше изменений в химии воды ожидаются для не спекшихся и частично спекшихся туфов, которые могут содержать значительное количество стекла, глинистых минералов и цеолитов. Глинистые минералы могут дегидратировать при нагреве до температур выше 100 ^оС, но легко регидратируют при понижении температуры. Конструкция могильника может обеспечить уровень теплового воздействия, которые могут испытывать цеолиты, ниже тех температур, при которых могут происходить изменения этих минералов.

Литература.

1. Лаверов Н.П., Канцель А.В., Лисицин А.К. и др. Основные задачи радиогеоэкологии в связи с захоронением радиоактивных отходов. – Атомная энергия, 1991, т. 71, вып. 6, с. 523-534.

2. Лаверов Н.П., Омельяненко Б.И., Величкин В.И. Геологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов. – Геоэкология, 1994, №6, с. 3-20.

3. Deep underground disposal of radioactive wastes: Near-field effects. Technical reports series №251. – Vienna: IAEA, 1985.

4. Radioactive waste management: An IAEA source book. – Vienna: IAEA, 1992.

[1] Сорбция (от лат. sorbeo - поглощаю) - поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды.

[2] Цеолитизация - процесс замещения полевошпатовых пород цеолитами, происходящий в условиях относительно низких температур и давлений под действием гидротермальных растворов.

Цеолиты (от греч. zéo — киплю и líthos — камень; из-за способности вспучиваться при нагревании) - алюмосиликаты, кристаллическая структура которых образована тетраэдрами [SiO₄]^4- и [AlO4]^5-, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас, пронизанный полостями и каналами.

[3] Применительно к проблеме обращения с РАО, выщелачивание - это процесс, при котором происходит утечка растворимых радиоактивных веществ из твердой матрицы при ее взаимодействия с жидкостью.

[4] Смектиты – название глинистых минералов группы монтмориллонита, обладающих свойством вспучивания и высокой способностью к катионному обмену.

[5] Иллит – общее название группы трехслойных, слюдоподобных глинистых минералов, широко распространенных в глинистых отложениях (особенно в морских глинах).

[6] Консолидация (цементация) – любой процесс, при котором рыхлый, размельченный, мягкий или жидкий материал становится твердой и крепко связанной породой.