Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор материалов по проблемам миграции урана и ТУЭ в подземных водах 12
1.1 Гидрогеохимия урана и трансурановых элементов 12
1.1.1 Уран 12
1.1.2 Трансурановые элементы 18
1.2 Основные факторы, определяющие миграцию радиоактивных веществ в подземных водах 25
1.2.1 Источники радиоактивного загрязнения подземных вод 25
1.2.2 Гидрогеологические условия 32
1.2.3 Поглощение радионуклидов породами водоносного горизонта 37
1.2.4 Факторы, влияющие на сорбцию актннидов горными породами... 39
2 Озеро Карачай - источник загрязнения подземных вод ураном и ТУЭ 48
2.1 Положение оз.Карачай в геологических структурах района 48
2.1.1 Геолого-тектоническое строение района 48
2.1.2 Гидрогеологические и гидрогеохимические условия 58
2.2 Краткая история эксплуатации оз.Карачай 73
2.3 Химический и радионуклидный состав оз.Карачай 74
2.4 Современный уровень радиоактивного загрязнения оз.Карачай . 79
2.5 Формы нахождения урана в воде оз.Карачай 80
3 Миграция урана и ТУЭ в подземных водах района озера Карачай . 83
3.1 Фоновые концентрации урана и ТУЭ в подземных водах 83
3.2 Изотопный состав техногенного урана 86
3.3 Масштаб и структура загрязнения подземных вод ураном и ТУЭ 91
3.3.1 Краткая история развития исследований 91
3.3.2 Описание и параметры ореолов урана и ТУЭ 92
3.3.3 Скорость миграции урана и ТУЭ в подземных водах 108
3.4 Корреляционные связи между концентрациями урана, ТУЭ и нитрат-иона 115
3.5 Формы нахождения урана и трансурановых элементов в подземных водах 121
4.Условия накопления урана и ТУЭ в породах водоносного горизонта района оз.Карачай 126
4.1 Распределение и формы нахождения урана и ТУЭ в породах водоносного горизонта 126
4.1.1 Удельная активность урана и ТУЭ в породах 127
4.1.2 Распределение урана и ТУЭ в породах 131
4.1.3 Формы нахождения урана в породах 135
4.2 Защитные геохимические свойства геологической среды района оз.Карачай по отношению к актинидам 146
4.2.1 Метод определения некоторых гидрогеохимических свойств горных пород 147
4.2.2 Результаты измерений гидрогеохимических свойств горных пород 148
Заключение 152
Список литературы 154
- Уран
- Геолого-тектоническое строение района
- Фоновые концентрации урана и ТУЭ в подземных водах
- Удельная активность урана и ТУЭ в породах
Введение к работе
Озеро Карачай (водоем 9, В-9) является поверхностным хранилищем жидких радиоактивных отходов (ЖРО) ПО «Маяк», сооруженным на месте естественного одноименного небольшого бессточного водоема. Оз.Карачай расположено в междуречье Теча-Мишеляк, на территории промплощадки предприятия (рисунок
аз. Tenrapnt
Рисунок 1 - Схема расположения района ПО «Маяк»
Использование В-9 в качестве накопителя ЖРО, начатое осенью 1951 года, позволило прекратить сброс жидких радиоактивных отходов радиохимического производства в открытую гидрографическую сеть (р.Теча). Эксплуатация водоема 9 продолжается до настоящего времени, однако, в соответствии с «Комплексным планом мероприятий по обеспечению решения экологических проблем, связанных с текущей и прошлой деятельностью ФГУП «ПО «Маяк», утвержденным минист-
ром РФ по атомной энергии Л.Ю.Румянцевым 02.06.2003 г. [1], к 2008 году должны быть полностью прекращены сбросы в В-9, а к 2010 году закончена ликвидация его акватории.
На протяжении всего периода сброса ЖРО в оз. Карачай, даже без учета связанных с ним аварийных ситуаций (например, ветрового разноса радиоактивной пыли с прибрежной полосы, обнажившейся из-за падения уровня воды в озере в 1967 году), акватория озера служила и продолжает оставаться источником радио-нуклидного загрязнения объектов окружающей среды, включая воздушігую среду, почву и подземные воды. В связи с этим в районе водоема был организован регулярный радиационный и химический контроль за техногенным загрязнением, распространяющимся от оз. Карачай путем переноса радиоактивных аэрозолей с водной поверхности и инфильтрации радиоактивных и стабильных загрязнителей вместе с водами в водопоглащающий горизонт геологической среды через относительно хорошо проницаемое ложе. Результаты многолетнего мониторинга атмосферы и почвенно-растителыюго слоя в районе оз.Карачай показывают, что заметное радиационное влияние водоема на природную среду ограничивается небольшой территорией, непосредственно прилегающей к акватории.
Гораздо более серьезная ситуация складывается с загрязнением подземных вод. Начавшись более 50 лет назад, миграция техногенных компонентов в потоке подземных вод от постоянно существующего источника загрязнения - озера Карачай - непрерывно продолжается и будет загрязнять природную среду еще в течение неопределенного времени. К сожалению, этот промышленный водоем был и остается до настоящего времени уникальным в мировом масштабе объектом по степени и масштабу негативного воздействия как на подземные воды, так и окружающую среду в целом.
До настоящего времени контроль радионуклидного загрязнения подземных вод в районе оз.Карачай ведется по элементам, имеющим наиболее значительные концентрации в водах водоема - стронцию-90, цезию-137, кобальту-60, рутению-106, тритию. Долгоживущие альфа-излучающие нуклиды, объемная активность которых в воде В-9 на несколько порядков ниже, чем бета- и гамма-излучающих нуклидов ( Sr, Cs), не рассматривались как значимый источник негативного воздействия на подземную гидросферу. Однако, в последнее время эта позиция пересмат-
ривается и вопросам форм нахождения и миграции урана и ТУЭ в подземных водах уделяется серьезное внимание, что нашло отражение в научных программах, выполняемых с начала 1990-х годов по решению Межведомственного координационного научно-технического совета по проблеме оз.Карачай и Теченского каскада водоемов, возглавляемого вице-президентом Российской Академии наук акад. Н.П.Лаверовым, в рамках Федеральных целевых программ «Социальная и радиационная реабилитация населения и территорий Уральского региона, пострадавших вследствие деятельности производственного объединения «Маяк», на период до 2000 года» и «Социальная реабилитация и радиационная безопасность Уральского региона на 2001-2005 годы и на период до 2010 года» [2, 3]. Проблему изучения основных закономерностей поведения ТУЭ в подземных водах района оз.Карачай как остро назревшую неоднократно подчеркивал акад. Б.Ф.Мясоедов (ГЕОХИ РАН) [4].
Основными аргументами в пользу необходимости постановки детальных исследований, направленных на изучение форм нахождения и поведения урана и ТУЭ в промышленных водных объектах ПО «Маяк» и загрязненных ими подземных водах являются:
известный факт наличия высоких концентраций урана и ТУЭ в сбросах, производимых в водоем,
высокая биологическая токсичность данных нуклидов, что нашло отражение в постоянном ужесточении санитарных норм по их содержанию в питьевых водах (в настоящее время на порядок ниже, чем, например, для стронция-90) [5],
длительный период существования урана и многих ТУЭ, составляющий тысячи-миллионы лет и определяющий большую продолжительность радиологического воздействия на природную среду,
недостаточная изученность поведения ТУЭ в природной среде и отсутствие стабильных природных аналогов как, например, для стронция-90 и цезия-137,
известная но имеющимся данным отечественных и зарубежных гидрохимических исследований значимая миграционная способность некоторых соединений урана и ТУЭ как в модельных растворах, так и в природных водных объектах,
необходимость выполнения всесторонней объективной эколого-геохимической оценки территории, подвергшейся радиационному воздействию,
необходимость долгосрочного прогнозирования поведения долгоживущих радионуклидов в подземной гидросфере и разработки реабилитационных мероприятий по предотвращению неконтролируемого выхода техногенного радиоактивного загрязнения на дневную поверхность.
Объектами исследований автора, результаты которых легли в основу настоящей работы, являлись поверхностное хранилище ЖРО оз.Карачай и приповерхностный водоносный горизонт, подвергшийся его воздействию.
Главная цель работы - выявление закономерностей миграции и накопления урана и ТУЭ, распространяющихся в приповерхностном водоносном горизонте от хранилища ЖРО оз. Карачай, и обоснование физической модели проявления этих процессов.
Основными задачами исследований являлись:
Выявление особенностей геологического строения и гидрогеологических условий района размещения оз. Карачай, обусловливающих миграцию радиоігук-лидного загрязнения в подземных водах.
Определение уровня активности и структуры распределения актинидов в оз.Карачай - источнике комплексного загрязнения подземных вод на протяжении всего периода его эксплуатации в качестве хранилища ЖРО.
Изучение распределения и форм нахождения U и ТУЭ в водах и породах водоносного горизонта.
Оценка защитных геохимических свойств геологической среды по отношению к урану и ТУЭ.
Определение масштаба распространения и скорости миграции U и ТУЭ в подземных водах.
Выбор и обоснование индикатора актинидного загрязнения подземных вод.
Фактический материал и методы исследований. Изучение поведения урана и ТУЭ в оз.Карачай и водоносном горизонте основаны на фактических данных, полученных в процессе проведения длительного комплексного (гидрогеохимического и гидродинамического) объектного мониторинга (по более чем 150 наблюдательным скважинам) и выполнения специальных геологических, геофизиче-
ских, гидрогеологических и гидрогеохимических натурных работ и комплексных лабораторных исследований.
В данной работе используются результаты более тысячи химических и радиохимических анализов проб подземных вод и воды оз.Карачай. Для изучения распределения и форм нахождения техногенных радионуклидов в коренных породах водоносного горизонта и рыхлых донных отложениях оз.Карачай было изучено более 100 образцов.
Лабораторные исследования водных проб и образцов горных пород проводились на базе Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ПО «Маяк», лаборатории радиохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (ГЕОХИ) РАН, лаборатории изотопных методов анализа Всероссийского института минерального сырья (ВИМС) МПР РФ, лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии (ЛРР) Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) РАН.
Изучение природных факторов, определяющих масштаб и структуру загрязнения подземных вод в районе оз.Карачай, проведено на основе анализа и обобщения результатов комплекса полевых геолого-геофизических, гидрогеологических и гидрогеохимических исследований, выполненных в 1960-2000-е годы специалистами ведущих научных и научно-производственных организаций России (ГГП «Гндроспецгеологня», ИГЕМ и ИГФ РАН, ВНИПИпромтехпологин и ВНИПИЭТ Минатома РФ, Институт биофизики МЗ РФ и др.).
Научная повита работы.
Впервые дана детальная характеристика озеру Карачай как источнику загрязнения подземных вод долгоживущими альфа-излучающими нуклидами - актинидами.
Впервые детально и комплексно рассмотрена проблема миграции урана и ТУЭ в водоносном горизонте района оз.Карачай. Определены и проанализированы масштаб распространения, распределение и формы нахождения урана и ТУЭ в подземных водах и породах, слагающих водоносный горизонт.
Обоснована роль урана в качестве индикатора техногенного радиоактивного загрязнения подземных вод в районе оз.Карачай.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в организации и проведении всех видов работ, результаты которых приведены в диссер-
тации, начиная с выбора научного направления и постановки конкретных задач исследований. Основной объем материалов собран, проанализирован и обобщен автором лично.
Практическая значимость. Полученные данные о миграции и распределении урана и ТУЭ в водах и вмещающих породах водоносного горизонта района оз.Карачай позволят:
оценить современное состояние загрязненности вод и горных пород долго-живущими альфа-излучающими радиоігуклидами;
использовать в процессе гидрогеохимического мониторинга подземных вод уран в качестве индикатора радиоактивного техногенного загрязнения от оз.Карачай;
оценить возможность вторичного загрязнения подземных вод в результате перехода радионуклидов из твердой фазы в жидкую при возможном изменении физико-химических условий в водоносном горизонте;
разработать долгосрочный прогноз миграции актинидов в подземных водах, определить виды и основное содержание необходимых реабилитационных мероприятий.
Основные защищаемые тезисные положения:
Озеро Карачай (В-9) - поверхностный накопитель жидких радиоактивных отходов (ЖРО) - с 1951 года является постоянно действующим источником загрязнения подземных вод радионуклидами, в том числе ураном и трансурановыми элементами. Природно-техногенные донные отложения водоема являются барьером, определяющим уровень альфа-активности актинидов, поступающих в водоносный горизонт. Нахождение урана в водах озера в слабосорбируемых анионных и нейтральных комплексах предопределяет его проникновение в подземные воды практически в исходных (десятки мг/л) концентрациях. Трансурановые элементы, напротив, хорошо задерживаются донными отложениями и содержатся в подземных водах в концентрациях на 2-5 математических порядков меньше исходных.
Уран и ТУЭ образуют в подземных водах пространственно совмещенные концентрически зональные ореолы, размеры и структура которых находятся в зависимости как от исходных концентраций и миграционных форм актинидов, так и
от особенностей геологического строения рассматриваемой территории и гидро-геолого-гидрогеохимических условий в водоносном горизонте. Наибольшую площадь (17,3 км2), оконтуренную по величине уровня вмешательства (по НРБ-99), имеет ореол урана. Масштаб распространения других актинидов значительно меньше: 237Np - 13,4 км2, 241Ат - 7,8 км2,239f240Pu - 7,2 км2, 244Ст - 4,1 км2.
В физико-химических условиях приповерхностного водоносного горизонта уран, в сравнении с другими техногенными радиоизотопами, находится в наиболее подвижной форме, что позволяет рассматривать его в качестве индикатора радиоактивного загрязнения подземных вод в районе оз. Карачай.
Выветрелые и трещиноватые вулканиты андезито-базальтового состава, слагающие водоносный горизонт района оз. Карачай, способны осаждать мигрирующие в потоке подземных вод уран и ТУЭ. Их задержка осуществляется вторичными сорбциошюемкими минералами (гидроксидами и оксидами железа, марганца и титана, а также слоистыми алюмосиликатами и другими гипергенными минералами), которые образовались на поверхностях трещин, являющихся путями транспорта загрязненных подземных вод.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на ряде семинаров, симпозиумов и конференций, включая:
Proceedings of the Fifth International Conference on Radioactive Waste Management and Environmental Remediation (ICEM'95), Berlin, Germany.
Международная конференция "Воздействие атомных электростанций и других радиационно-опасных объектов на гидрологический цикл и водные ресурсы", Обнинск.
Joint Russian-American Hydrology Seminar, July 8-9 1997, Berkeley, California, USA.
Proceedings of the Spectrum '98 conference, American Nuclear Society, La-Grange, Illinois, USA;
Proceedings Fourth International Symposium & Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe, Warsaw, Poland. 2-ой семинар HKK МНТЦ «Реабилитация больших территорий» - Сне-жинск, 1999;
Proceedings of the 4th US/CIS Joint Conference on Environmental Hydrology and Hydrogeology, San Francisco, California, USA.
Международный симпозиум по геологии урана, Москва, 2000; Atmospheric, Surface and Subsurface Hydrology and Interactions. 2000 Annual Meeting and International Conference of the American Institute of Hydrology, North Carolina, USA.
Proceedings of the 5th US/CIS Joint Conference on Environmental Hydrology and Hydrogeology, San Francisco, California, USA.
Международная научно-практическая конференция «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург.
Четвертая Российская конференция «Радиохимия-2003», Озерск.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работы - статьи в специализированных изданиях и тезисы докладов на российских и международных семинарах, конференциях и симпозіумах.
Благодарности.
Автор считает своим долгом выразить особую благодарность своим учителям О.Н.Грязпову, М.П.Покровскому, В.И.Чеспокову, Л.М.Самсоновой. Автор глубоко признателен научным руководителям члену-корреспонденту РАН В.И.Величкшгу и к.т.н. Е.Г.Дрожко, а также Л.М.Самсоновой, Б.Г.Самсонову, С.И.Ровному за критические замечания и ценные советы, большую помощь и поддержку в проведении исследований. Автор признателен коллективам ГГП Гидро-спецгеология (А.В.Глаголеву, Н.А.Васильковой, Н.В.Кочерпшой и др.), ИГЕМ РАН (А.К.Лисицшгу, В.И.Мыскину, Н.Н.Тарасову), ВИМС МПР (В.И.Малышеву, А.Е.Бахуру и всей лаборатории изотопных методов анализа), ГЕОХИ РАН (А.П.Новикову, Т.А.Горяченковой и всей лаборатории радиохимии) за многолетнее плодотворное сотрудничество. Отдельно выражаю благодарность коллегам по работе, без которых данное исследование было бы невозможно, - Г.А.Постоваловой, П.М.Стукалову, А.И.Алексахипу, М.Б.Глаголевой, Ю.Г.Мокрову, Биричевой Н.Г. и всей лаборатории охраны окружающей среды ЦЗЛ ПО «Маяк».
Уран
Природный уран имеет три естественных радиоактивных изотопа - 234U, 235U, 238 U, из которых два последних являются родоначальниками радиоактивных семейств. Основные сведения об естественных изотопах урана приведены в таблице 1.1. Кроме того, известны 8 искусственных изотопов урана (с массовыми числами от 230 до 240). Таблица 1.1 — Радиологическая характеристика естественных изотопов урана [8] Изотоп урана Относительное массовое содержание в природном уране (распространенность), % Период полураспада, лет Энергия излучения, МэВ Удельная активность, Бк/мг Уран обладает переменной валентностью и в водных растворах может присутствовать в виде ионов, соответствующих четырем степеням окисления (от +3 до +6) - U3+, U4+, иОг+, иОг2+. Соединения трех- и пятивалентного урана в водных растворах весьма нестойкие и могут существовать в достаточно специфических условиях [9], трудно воспроизводимых в природных (экзогенных) условиях. Пятивалентный уран в растворах легко диспропорционирует с образованием урана (IV) и урана (VI). Установлено, что уран (V) стабилен только в узкой области кислотности (в растворах с рН = 2,5 — 3,0 при отсутствии воздуха) [10, 11]. В настоящее время точно установлено [12], что в природных условиях уран может находиться только в четырех- и шестивалентной формах. Четырехвалентный уран формирует устойчивые соединения в восстановительной среде и развит, преимущественно, в твердой фазе (в виде минералов). Уран (IV) является энергичным восстановителем, поэтому он легко окисляется кислоро-досодержащими кислотами и поливалентными металлами в высшей степени окисления до уранил-иона (U022+) [12]. Шестивалентный уран распространен в окислительной обстановке, где образует множество водорастворимых форм. Фактически только с шестивалентной формой связана активная водная миграция урана в экзогенных условиях, причем существует он исключительно в виде комплексной уранилыюй группы (U022+) [12]. В качестве обособленного катиона (U6+) уран в природных водах достоверно не установлен. Уранил-ион является сильным комплексообразователем, который может давать соединения с органическими и неорганическими лигандами. Большая часть этих комплексных соединений обладают хорошей растворимостью в результате слабой химической связи между уранилом и анионами. По степени устойчивости все соединения шестивалентного урана с анионами можно расположить в следующем порядке (по убыванию) [13]: однозарядные - фторид нитрат хлорид; двухзарядные - карбонат оксалат сульфат. Предпочтительной формой миграции урана в экзогенных условиях являются отрицательно заряженные уранил-карбонатные комплексы [14, 15]. Этому способствуют широкая распространенность углекислых слабощелочных (7,5 - 8,3) природных вод и высокая устойчивость уранил-карбонатных комплексов. Следует отметить, что наиболее термодинамически устойчивыми считаются два аниона - три-карбонат-уранил [и02(С03)з]4" и дикарбонат-уранил [иС СОзЬ]2 Кроме того, миграция урана в подземных водах может происходить в виде комплексных уранорганических соединений, коллоидных и псевдоколлоидных форм в связи с гидроокисями железа, алюминия т.д. [13].
Формы нахождения урана и, следовательно, его поведение в природных системах во многом определяются физико-химическими параметрами вмещающей среды (в особенности окислительно-восстановительными и кислотно-щелочными свойствами), которые, сочетаясь определенным образом, создают разнообразие условий водной миграции. А.И. Перельманом для зоны гипергенеза выделено, в зависимости от величины окислительно-восстановительного потенциала, три основных класса обстановок [14]: - окислительная, в которой значения Eh меняются от + 100 до +700 мВ; - восстановительная глеевая без сероводорода (подразделяется на две подгруппы -слабоглеевая и рсзкоглсевая); значения Eh могут изменяться в пределах от +100 до -150 мВ; воды не содержат кислород и сероводород, обогащены продуктами разрушения органических веществ, углекислым газом, метаном; - восстановительная сероводородная (сероводородно-сульфидная) среда; значения Eh варьируют от 0 до - 400 мВ; воды безкислородные, обогащены сероводородом, метаном и органическими соединениями.
В окислительной и слабоглеевой средах уран находится в шестивалентной форме и свободно мигрирует в виде водорастворимых соединений или коллоидных растворов. Несмотря на восстановительные свойства, слабоглеевая среда является благоприятной для миграции шестивалентного урана, так как в ней, благодаря отсутствию сероводорода, не образуются нерастворимые сульфиды, как это происходит в восстановительной сероводородно-сульфидной обстановке.
В резкоглеевой (при более низких значениях Eh) и сероводородной обстановках уран восстанавливается до четырехвалентного состояния и образует малоподвижные труднорастворимые соединения, что способствует его осаждению из водных растворов и препятствует дальнейшему распространению. По кислотно-щелочным условиям А.И.Перельманом выделено четыре основных класса геохимических обстановок [14]: - силыюкислая (с рН 3), - кислая и слабокислая (рН от 3 до 6,5), - нейтральная и слабощелочная (рН 6,5-8,5), - силыющелочная (рН 8,5). Соединения шестивалентного урана обладают достаточно высокой устойчивостью в широком интервале значений рН. Объясняется это тем, что уран ведет себя как катионогенный элемент в силыюкислой и кислой средах (в основном, в виде катионов уранила - UO2 ) и как анионогенный - в слабокислой, нейтральной и щелочной обстановках (в основном, уранил-карбонатные или уранил-гидроксильные комплексы, стабильные при рН от 5 до 10). В кислых и слабокислых болотных и схожих с ними водах уран находится в виде хорошо растворимых уранил-органических соединений, производных гуми-новых и фульвокислот - [и02СНтОп)р]ч\
В силыющелочных подземных водах с рН 8,5 (содовых по составу) уран может присутствовать в виде карбонатно-натрневых комплексов типа Na2[Uo 2(CO3)2(H20)2] и Na4[U02(C03)3]. Изменение физико-химических параметров среды может приводить к кон-цетрированию урана, образуя твердую фазу, на геохимических барьерах различного типа: восстановительных, восстановительно-сорбционных, нейтрализационных кислотно-щелочных и испарительных [13].
Наиболее общей и широко распространенной причиной выведения урана из подземных вод являются процессы восстановления U46 до U+4, что связано, прежде всего, с понижением окислительно-восстановительного потенциала среды. Кроме того, начало осаждения урана во многом определяется его исходными концентрациями, формами нахождения в подземных водах и составом осаждающихся окислов урана ряда U02-U02,25 [Ю]. Расчетные данные позволили А.К.Лисицину [13] установить границы осаждения урана (для наиболее общего случая): при содержа-нии урана в количестве от 10" до 1 мкг/л интервалы Eh осаждения находятся в пределах от -30 до -120 мВ при рН = 6,5 и от -130 до -200 мВ при рН=8,5.
Главными восстановителями урана являются органические вещества гумусового и битумного рядов, а также углеводороды, сероводород и водород, минералы двухвалентного железа (сульфиды и дисульфиды). Следует отметить, что органическое вещество выполняет двоякую роль: создает восстановительную обстановку и в тоже время является активным сорбентом по отношению к урану, т.е. в данном случае возникает сорбционно- восстановительный барьер [13].
Геолого-тектоническое строение района
Территория ПО "Маяк" и непосредственно прилегающие к ней площади не обеспечены современными кондиционными геологическими картами масштаба 1:50000, лишь частично район ПО «Маяк» затронут съемкой указанного масштаба 1943 года [100]. До последнего времени наиболее полное описание геологии района было представлено в отчете предприятия п /я Р-6470 (ныне УО ВНИПИЭТ ) за 1963 г. [101].
Изучение геологии района В-9 с составлением геологических схем и макетов карт масштаба 1:25000, 1:50000 проведено в последние годы специалистами ОГР ИГЕМ РАН [102-107], ГГП «Гидроспецгсология» [108-109] и Челябгеолкома [ПО]. Обобщение материалов по геологическому строению рассматриваемой территории проводилось с использованием результатов геологосъемочных работ масштабов 1:50000 и 1:100000 по соседним площадям [100, 111, 112], материалов ВНИПИПромтехнологии по детальным работам на отдельных участках площади [113-120], результатов аэромагнитной и аэрогамма-спектрометрической съемки масштаба 1:25000 [121] и инженерно-геологических изысканий [122, 123].
Особенности геологического строения рассматриваемой территории определяются ее приуроченностью к ядерной части Горненской синклинали, являющейся структурой первого порядка Кызылташского синклинория (рисунок 2.1) и протягивающейся в субмеридионалыюм направлении (аз. 0-20) более чем на 20 км при ширине до 6,5 км. В целом синклиналь имеет форму простой брахиформной складки, ядро которой выполнено вулкано-кластическими породами. Западное крыло синклинали срезано разломом, разделяющим вулканогенные породы и породы гнейсово-мигматитового и сланцево-амфиболитового комплексов верхнепротерозойского возраста. С востока к Горненской синклинали примыкает сложная антиклинальная складка, разбитая продольными нарушениями. Ядро ее сложено вулка-ногенно-осадочными породами. Западное крыло антиклинали срезается крутопа дающим субмеридиональным разломом, восточное - падает на восток под углами от 30 до 50. Ширина антиклинали меняется от 1,5-2 км на юге до 2-2.5 км на севере.
Оз.Карачай располагается на участке территории Междуречья, сложенного вулканогенными и вулканогенно-осадочными породами, сформировавшимися в период от раннего силура до девона. Вулканогенная толща сложена преимущественно породами основного состава, претерпевшими зеленокаменное перерождение. Среди них выделяются лавовые, пирокластические и осадочно-пирокластические образования. По своему составу первичные породы соответствуют андезито-базальтам и базальтам, реже андезитам.
Основная часть вулканогенной толщи сложена комплексом вулканогенно-осадочных пород силур-раннедевонского возраста, представленных лавами, лавоб-рекчиями и туфолавами андезито-базальтовых порфиритов, их туфами, туфопесча-никами и туфоалевролитами, а также сланцами, возникшими в ходе динамомета-морфизма вышеперечисленных пород. Максимальная мощность комплекса вулка-ногенно-осадочных пород, установленная на основе структурных построений и данных глубинной геофизики, составляет 2-3 км (рисунок 2.1).
Рассматриваемый комплекс отчетливо подразделяется на две свиты: нижнюю - вулканогешю-осадочігую и верхнюю - преимущественно вулканогенную. Обе свиты близки по петрографическому составу, но отличаются различным соотношением лавового, пирокластического и вулканогешю-осадочного материала.
Все породы вулканогенной толщи подверглись эпигенетическим изменениям, среди которых основное значение имеет региональный метаморфизм в условиях фации зеленых сланцев (актинолит-эпидотовая и хлорит-эпидотовая стадии) и гидротермалыю-метасоматические преобразования пород (кварц, серицит, хлорит и карбонат). Локально, в пределах тектонически ослабленных зон, проявлена наложенная низкотемпературная хлорит-карбонатная ассоциация, отнесенная к пре-нит-пумпеллиитовой фации метаморфизма. В этих зонах отмечено интенсивное развитие гипергенных глинистых изменений с образованием гидрослюд, каолинита и гидроксидов Fe, Ті (гематит, лейкоксен) и Мп (пиролюзит).
Вулканогенные породы района оз.Карачай, несмотря на частое переслаивание пирокластического и лавового материала, могут рассматриваться как химиче ски однородная среда. Незначительные вариации химического состава вулканитов отражают, в основном, разнообразие первичных пород по количественному соотношению плагиоклаза и пироксена, а также по степени их зеленокаменного перерождения. Средний состав вулканитов района ПО "Маяк" следующий (мас.%): Si02 - 50, Ті02 - 1, А1203 - 14, Fe203 - 3, FeO - 7, MnO - 0,15, MgO - 8,5, CaO - 8,4, Na20 - 3,2, K20 - 0,55, C02 - 1, H20 - 3,2.
В минеральном составе вулканитов основная роль принадлежит вторичным минералам, образовавшимся при метаморфизме. Метаморфические процессы привели к полной девитрификации вулканического стекла и деанортизации первичного плагиоклаза. Из первичных минералов местами сохранились только реликты пироксена. Пироксен представлен своей моноклинной разновидностью - авгитом. Наряду с ним, в единичных случаях, отмечен гиперстен. Основным вторичным минералом, развитым по пироксену, является актинолит. Первичный плагиоклаз в вулканитах полностью замещен альбитом. Одним из основных продуктов деанортизации плагиоклаза является эпидот. За счет пироксена, актинолита, вулканического стекла и цементирующей массы развился хлорит типа ринидолита-пикнохлорита. Карбонат, представленный чистым кальцитом, в незначительном количестве встречается повсеместно. Существенную роль он приобретает в пределах зон тектонических нарушений, метасоматпчески замещая все остальные первичные и вторичные минералы вулканитов.
Породы, слагающие район оз.Карачай, характеризуются интенсивной, но неравномерной тектонической нарушенностыо как в плане, так и по вертикали. Разрывные нарушения выделяются в виде зон окварцевання и систем сближенных кварцевых жил, выполняющих "раскрытые" тектонические трещины; зон расслан-цевания и кливажа; милонитовых швов и зон брекчирования с хлоритовым, хлорит-эпидот-кварцевым цементом; кварц-карбонатными прожилками. Преобладающим типом разрывных нарушений являются линейные зоны рассланцевания и повышенной трещиноватости соскладчатого заложения, а также милонитовые швы и зоны дробления с различным минеральным выполнением.
Фоновые концентрации урана и ТУЭ в подземных водах
Фоновые концентрации урана и ТУЭ в подземных водах района определялись на участках, удаленных от всех известных техногенных объектов, способных повлиять на геохимическое состояние водоносного горизонта (промышленные водоемы ПО «Маяк», золоотвалы Аргаяшской ТЭЦ, крупные животноводческие фермы и др). Геохимический фон по урану был определен как среднее арифметическое содержаний урана в пробах подземных вод, отобранных из 12 скважин на Мише-лякском участке (рисунок 3.1), сложенному теми же вулканогенно-осадочными породами, что и водоносный горизонт района оз.Карачаи. Фоновое значение для урана составляет 0,49 мкг/л. По тем же пробам было выполнено определение минимального аномального содержания урана. Расчеты проводились по формуле Са = Сф + 3S, где Са - минимально аномальное содержание урана, мкг/л; Сф - фоновое содержание урана, мкг/л; S - стандартное отклонение [177]. Минимально аномальное содержание урана на Мишелякском участке составляет 1,3 мкг/л, или в пересчете на природный уран 0,03 Бк/л, что на два порядка меньше его УВ (3 Бк/л по НРБ-99 [6]). Определение фоновых концентраций ТУЭ в подземных водах района ПО «Маяк» было выполнено в ВИМС МПР РФ в 2001 году [178]. Для этих целей была выбрана скважина № 20 р/э, расположенная вне области влияния каких-либо техногенных факторов (рисунок 3.1). Присутствие радионуклидов искусственного происхождения (в частности, ТУЭ) в воде данной скважины может быть обусловлено только глобальными выпадениями. Скважина используется для отбора воды на питьевые ігуждьі пос. Новогорный, ее удаленность от оз. Карачай составляет 8,2 км (на юг), от южной границы Карачаевского ореола (по нитрат-иоігу) - более 5 км. В таблице 3.1 приведены результаты химического и радиохимического анализов подземных вод, отобранных (на изливе) из скважины 20 р/э. Условные обозначения: - область распространения техногенного загрязнения в подземных водах 25Н - скважины с "фоновыми" подземными водами 20р/3 - скважина питьевого водоснабжения пос.Новогорный Рисунок 3.1 - Схема расположения скважин, исползованных для пробоотбора "фоновых" подземных вод Таблица 3.1 — Химический и радионуклидный состав подземных вод, отобранных из скважины 20 р/э [178, 179] Показатель Единица измерения Концентрация химическихкомпонентов; объемная активность радионуклидов Нормативі ый показатель поСанПиН2ЛА1074О1иНРБ-99 Из представленных данных видно, что «фоновые» подземные воды по составу являются слабощелочными, слабоминерализованными, гидрокарбонат-натриевыми, с низким содержанием восстановителей (что, в некоторой степени, может свидетельствовать об отсутствии антропогенного загрязнения). Объемная активность радионуклидов в воде скважины ниже установленных норм для питьевых вод (УВ по НРБ-99) и, за исключением урана, ниже пределов определений использованных методик. 3.2 Изотопный состав техногенного урана
Наличие критериев загрязнения природных вод по каждому изотопу урана в отдельности, содержащихся в нормативных документах (НРБ-99 [15], ОСПОРБ-99), обусловило постановку изотопных исследований. В 2001 году совместно с лабораторией радиохимии ГЕОХИ РЛН и лабораторией радиоизотопных методов МГУ впервые был определен изотопный состав техногенного урана в наиболее загрязненных подземных водах района оз.Карачай [175]. Т Э А т г О " О Изотопный состав урана ( U, U и U) в пробах подземных вод определялся с помощыо полупроводникового а-спектрометра с поверхностно-барьерным детектром. Типичный а-спектр смеси изотопов урана показан на рисунке 3.2. 1вО - 1ЄО U-232 1 140 - ity, impО (00 о1 1 Intensi о о U-234 1 АО - U-23S Jfl J 20 - tM U-235 Л L J О - м К 3500 400O 4500 5000 E alpha, keV 5500 GOOO 1 Рисунок 3.2 - Типичный а-спектр смеси изотопов урана в пробах подземных вод Изотопный состав техногенного урана (таблица 3.2) определялся в пробах наиболее загрязненных (по всем компонентам) подземных вод. Объемная активность изотопов урана (U234 , U235 , U238) почти во всех представленных пробах превысила значения УВ. Наиболее высокие превышения ОА отмечаются для U (в 6,7 - 450 раз) и U238 (5,8-300 раз), для U235 этот параметр составляет 0,2-25 раз. Как показали проведенные исследования, изотопный состав техногенного урана существенным образом отличается от природной смеси следующим: Таблица 3.2 — Изотопный состав урана в загрязненных подземных водах района оз.Карачай Номер скважины (глубина опробования,м) Объемная активность, Бк/л Объемная активность суммыизотоповурана,Бк/л Вклад изотопов в объемную активность урана, % ОтношениеOAU234ОА U238 и234 и235 и238 и234 и235 и238 Значение УВ 2,9 3 3,1 2/68 (40) 369,9 75,9 289,3 735,1 50 10 40 1,28 Усредненный вклад изотопов в объемную активность техногенного урана, % 56 3 41 1,42 Вклад изотопов в объемную активность природного урана, % 52,3 2,1 45,6 88 Продолэюеиие таблицы 3. Номер скважины (интервал опробования, м) Концентрация, мкг/л Концентрациявалового урана, мкг/л Массовая доля изотопов Отношение ОА к концентрации валового урана, Бк/мг и234 и235 и238 и234 и235 и238 Значение УВ 0,013 37,9 252,1 2/68 (40) 1,61 960 23520 24482 0,007 3,9 96,1 30 Усредненный состав урана, мигрирующего в загрязненных подземных водах 0,008 1,16 98,83 30 Состав природного урана 0,0057 0,71 99,28 25,55 - относительно широким диапазоном вариаций количественного (массового) соотношения изотопов (от 0,0048 до 0,0116 % для U234, от 0,56 до 3,92 % для U235, от 96,08 до 99,44 % для U238), - повышенным содержанием U234, а в ряде случаев, и U235 (вклад U234 и U235 в общее весовое содержание техногенного урана выше, чем природного, в среднем в 1,3 и в 1,65 раз, соответственно), - изменчивым (неравновесным) отношением объемных активностей U234/U238 (меняется в пределах 1,09 - 2,22). Вследствие относительно небольшого количества исследованных проб и полного отсутствия информации об изменении изотопного состава урана в оз.Карачай в процессе его эксплуатации сложно установить закономерности изменения изотопного состава техногенного урана в пределах Карачаевского ореола загрязненных подземных вод и факторы, определяющие этот процесс. Тем не менее, можно отметить некоторые характерные особенности: - в центральной части южной ветви ореола (участок расположения скважин 63/68, 64/68, 2/68, 9/68, 2/99) в составе техногенного урана наблюдается аномально высокое содержание U235 в сочетании с низким содержанием U238 (по сравнению с составом природного урана), - вклад U234 в изотопный состав техногенного урана снижается при удалении от водоема 9 в южном направлении (к долине р.Мишеляк), - вклад U234 в изотопный состав техногенного урана возрастает с глубиной по разрезу водоносного горизонта. Разнообразие изотопного состава техногенного урана в пределах ореола загрязненных подземных вод, по-видимому, обусловлено следующими причинами: - пестротой и изменчивостью во времени радионуклидного состава жидких отходов, поступавших в водоем 9 и далее в водоносный горизонт, - процессами фракционирования изотопов, протекающими в природной среде [15, 16]. Изменчивость изотопного состава техногенного урана в загрязненных подземных водах приводит к значительным вариациям его удельной активности. Поэтому, в условиях, когда в силу технических возможностей лаборатории и минимизации финансовых и физических затрат, оперативные режимные наблюдения ведутся по валовому содержанию урана, необходимо знать минимальную массовую концентрацию, при которой возможно превышение значений УВ. Для расчета граничной допустимой концентрации урана использовано несколько вариантов изотопных соотношений (таблица 3.3):
Удельная активность урана и ТУЭ в породах
Все имеющиеся на сегодняшний день результаты определения удельных активностей урана и ТУЭ в загрязненных горных породах водоносного горизонта района оз.Карачай представлены в таблице 4.1. Анализы выполнялись по различным методикам, принятым в проводивших их организациях [180]. Необходимо отметить, что приведенные данные являются сугубо оценочными, поскольку характеризуют породу в целом, без учета наличия в одном образце (иногда) гипергенных изменений различной степени проявленности. Таблица 4.1 - Удельная активность радионуклидов в породах водоносного горизонта района оз.Карачай Точка пробоотбора Удельная активность радионуклида, Бк/кг Номер скважины и ее удала п кхлъ от водоема 9 Глубина отбора,м и238 и234 ри239+240 Ри238 Am241 Np237 1 2 3 4 5 6 7 Мипималы ю з ичимая удельная акшв-i юсть радної гуклида по НРБ-99 (грш ищанюкоакгивпых твердых отходов), БкЛсг Примечание: по данным Лаборатории изотопных методов анализа ВИМСа [178]; поданным лаборатории радиохимии ГЕОХИ [186]; поданным ФИБ-1 [195]; прочерк означает, что показатель не определялся; (1) и (2) пробы отобраны с одного интервала, но из разных частей породы Можно отметить следующие особенности нахождения техногенных радионуклидов в твердой фазе ореола загрязнения от оз.Карачай: - крайне неравномерное распределение активностей радионуклидов по глубине скважин (активности существенно различаются даже в пробах, отобранных из разных частей одного и того же штуфа керна); - удельная альфа-активность образцов пород не превышает первых десятков Бк/кг, что значительно ниже уровня загрязнения этих же образцов Sr-90 (до пі О6 Бк/кг), Cs-137 (до пі О4 Бк/кг), Ru-106 (до пі О3 Бк/кг), Со-60 (единичная проба с активностью пі О2 Бк/кг) [178]; - наибольший вклад в суммарную альфа-активность проб горных пород вносит уран (до 99 %); значения его удельной активности превышают средние 130 для порфиритов (1 г/т [196], или 12,4 Бк/кг) в 2 - 4 раза; активность U-234 в пробах несколько превышает активность U-238; - уровень загрязнения пород водоносного горизонта района оз.Карачай ураном и ТУЭ значительно меньше (на два порядка и более) нижнего граничного значения для твердых радиоактивных отходов (МЗА по НРБ-99); - в образцах пород из керна скважины 2/99 (2320 м к югу от В-9) удельная активность U-238, U-234 уменьшились незначительно (примерно в два - три раза) по сравнению со скв. 1/99 (1450 м на ЮЮЗ от В-9), в то время как УА Sr-90 уменьшилось на два математических порядка, Со-60 и Cs-137 - на один порядок [178]. Значения активностей остальных нуклидов (Ри-239+240, Ри-238 и Ат-241) не превышают предел определения использованных методик; - не находят логичного объяснения некоторые результаты определения: 238Ри (скв. 5/190, глуб. 10 и 13 м, лаборатория ВИМС), хотя приуроченность скважины к участку расположения старых могильников жидких и твердых радиоактивных отходов (иногда абсолютно неизвестного состава) может преподнести любые сюрпризы; аномальное значение удельной активности 2 40Ри (скв. 2/99, глуб. 45,5 м) - предполагается ошибка в измерениях.
Интересные результаты дает расчет коэффициентов распределения (Kd) - отношений удельной активности отдельных радионуклидов в горных породах (сравнительно слаботрещиноватых и мало измененных гипергенными процессами) и подземных водах, отобранных из одних интервалов (таблица 4.2). Приведенные в таблице данные показывают, что основная масса породы, если она характеризуется слабой трещиноватостыо и незначительными гипергенными изменениями, в естественном залегании отличается плохой задерживающей способностью по отношению к урану и ТУЭ (коэффициент распределения не превышает, за редким исключением, 0,5). Необходимо заметить, что подземные воды, содержащие техногенные радионуклиды в указанных концентрациях, достигли участков расположения скважин более 30 (скв. 1/99) и 10 (скв. 2/99) лет назад, т.е. прошло достаточное время на установление равновесия между жидкой и твердой фазами в этих частях загрязненного водоносного горизонта. 131 Таблица 4.2 -Коэффициенты распределения (Kd) актинидов в водоносном горизонте района оз.Карачаи Номер скважины иее удаленность отцентра водоема Глубина отбора проб,м Характеристика пробы Удельная акіивіісстьгхщюігукшиіа,Бк/кг(Бк/л) и38 и» р ИО Атм 1/99 (ЮЮЗ-1450) 25,2 Горные породы 13 15 0,2 0,8 22,5 Подземные воды 185 219 0,3 0,5 Кшффициаггроспределения (КО 0,07 0,07 - 1,6 31,5 Горные породы 56 70 0,3 0,3 35,4 Подземные воды 512 620 1,9 0,9 Ксоффициеіп-распределеї шя (КО 0,И 0,11 0,16 0,33 42,4 Горные породы 50 61 0,2 0,8 42,8 Подземные воды 384 407 0,4 0,4 Коэффициагграспределения (КО 0,13 0,15 0,50 2,0 64,6(1) Горные породы 13 16 0,2 0,2 64,7 Подземные воды 545 652 0,6 2,6 Коэффициагграспределения (Kd) 0,02 0,02 - 64,6 (2) Горные породы 15 14 0,3 0,2 64,7 Подземные воды 545 652 0,6 2,6 Коэффициагграспределения (Kd) 0,03 0,02 0,5 2/99 (Ю-2320) 45,5 Горные породы 11 18 1,1 0,2 Подземные воды 406,8 444,1 0,41 0,13 Кооффициеі гг распределеї шя (КО 0,03 0,04 - 75 Горные породы 17 17 0,2 0,2 Подземные воды 538,1 611,4 0,34 0,14 Коэффициагграспределения (Kd) 0,03 0,03 - 81,5 Горные породы 17 16 0,2 0,2 Подземные воды 190,3 317,2 1,3 0,18 Кшффициа rr распределеї шя (КО 0,09 0,05 - Диапазон значений Kd 0,02-0,13 0,02-0,15 0,16-0,5 0,18-2,0 Примечание: - данные ГЕОХИ, остальное - ВИМС; - предполагается ошибка в измерениях; (1) и (2) пробы отобраны с одного интервала, но из разных частей породы 4.1.2 Распределение урана и ТУЭ в породах В начальный период исследований радиоактивного загрязнения вулканоген-но-осадочных пород, слагающих водоносный горизонт в районе оз.Карачаи, наряду с определением удельной активности основных техногенных радионуклидов проводилось изучение влияния структурно-петрографических особенностей пород на распределение активности с помощью метода авторадиографии [178, 189, 195]. В 132 результате проведенных исследований показано: - основная активность в породах приурочена к участкам интенсивного проявления гипергенных изменений (выполненные вторичной минерализацией проницаемые трещины разных порядков в слабо измененных породах нижней части профиля выветривания, являющейся средой транспорта для наиболее загрязненных подземных вод) - рисунок 4.2, Рисунок 4.2 - Распределение активности в катаклазированном и милонитизиро-ванном пироксен-плагиоклазовом порфирите слева - фотография шлифа (1 - прожилки оксидов и гидроксидов железа, 2 - вкрапленники пироксена и плагиоклаза), справа - радиография (зеркальное отображение), экспозиция 10 суток. - основными объектами задержки радионуклидов являются гидроксиды железа, глинистый материал в милонитовых швах, лейкоксен и лейкоксе-низированный сфен, - активность практически отсутствует в основной массе порфиритов и на вторичных карбонатах, 133 - приуроченность активности к известным природным сорбентам позволяет предположить преимущественно сорбционный механизм задержки техногенных радионуклидов, - радиоактивность пород обусловлена как бета-активными нуклидами (в основном, стронцием-90, цезием-137), так и альфа-активными (в основном, ураном-234,238, плутонием-239,240). Для изучения факторов, влияющих на выявленную авторадиографическими исследованиями неравномерность распределения техногенных радионуклидов, в том числе урана и ТУЭ, в загрязненных породах, было проведено несколько экспериментов на образцах из скв.5/190 (глубина 67 м) [178, 180]: 1) радиохимические исследования развитой по водопроницаемым трещинам вторичной минерализации, представленной гидроокислами оіселеза Радиохимическому изучению подвергалась вторичная минерализация, находящаяся в виде пленки на поверхностях открытых трещин. Налет с поверхности естественного скола по трещине был смыт раствором горячей соляной кислоты и переведен в измерительную кювету с последующим выпариванием раствора (общее количество смытых гидроокислов составило около 100 мг). Результаты радиохимического анализа основной массы образца горной породы и полученного препарата (смыва) приведены в таблице
