Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидрогеологическая характеристика подземных вод, современное состояние и изученность естественной и техногенной радиоактивности основных водоносных горизонтов Московского региона 8
Глава 2. Разработка и применение современного комплекса методик для определения содержания высокотоксичных естественных и техногенных радионуклидов, депонированных в подземные воды, определяющего основу радиоэкологической оценки подземных вод Московского региона 26
Глава 3. Современный уровень естественной и техногенной радиоактивности, определение природных и техногенных факторов, обусловливающих изменения радионуклидного состава подземных вод, классификация вод по радионуклидному составу 64
Глава 4. Разработка научно-обоснованной системы критериев и специализированной базы данных, обеспечивающих системный долговременный радиационный мониторинг и прогноз изменения радиоактивности подземных вод и включающие гидрогеологические, структурно-тектонические, геоморфологические, техногенные и радиологические факторы (обобщение результатов исследований) 84
Заключение 103
Литература 105
- Гидрогеологическая характеристика подземных вод, современное состояние и изученность естественной и техногенной радиоактивности основных водоносных горизонтов Московского региона
- Разработка и применение современного комплекса методик для определения содержания высокотоксичных естественных и техногенных радионуклидов, депонированных в подземные воды, определяющего основу радиоэкологической оценки подземных вод Московского региона
- Современный уровень естественной и техногенной радиоактивности, определение природных и техногенных факторов, обусловливающих изменения радионуклидного состава подземных вод, классификация вод по радионуклидному составу
- Разработка научно-обоснованной системы критериев и специализированной базы данных, обеспечивающих системный долговременный радиационный мониторинг и прогноз изменения радиоактивности подземных вод и включающие гидрогеологические, структурно-тектонические, геоморфологические, техногенные и радиологические факторы (обобщение результатов исследований)
Введение к работе
Актуальность. Проблема полномасштабного радиоэкологического исследования подземных вод Московского региона, определения природных и техногенных факторов, обусловливающих изменения их радионуклидного состава и, в итоге, качества, приобретает исключительную важность в связи с возрастающей ролью подземных вод как источника постоянного и экстренного резервного водоснабжения населения в условиях мегаполиса.
Таким образом, основной целью работы является создание научно-методических основ радиоэкологической оценки состояния подземных вод Московского региона, включающих разработку оптимального комплекса методик исследования артезианских вод, создание базы данных и классификации подземных вод по радиологическим показателям, установление возможной взаимосвязи особенностей радиоактивности подземных вод и гидрогеологического строения региона.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования явились:
Изучение и систематизация имеющихся литературных и фондовых материалов по естественной и техногенной радиоактивности подземных вод Московского региона, по особенностям гидрогеологического строения основных водоносных горизонтов питьевого водоснабжения.
Разработка оптимального аппаратурно-методического комплекса, обеспечивающего определение естественных и техногенных радионуклидов (РН) в подземных водах, отвечающего требованиям системы радиационного контроля.
Установление закономерностей изменения радионуклидного состава и уровней радиоактивности подземных вод основных эксплуатируемых горизонтов с учетом особенностей гидрогеологии и геоморфологии региона, воздействия техногенных факторов.
Разработка критериев и создание базы данных радиоактивности подземных вод Московского региона, в которой должны быть отражены классификация вод по радиологическим типам и степени радиационной опасности, рекомендации по установлению местных уровней радиоактивности воды и по возможным защитным мероприятиям.
Научные положения, выдвигаемые на защиту:
-
Разработан рациональный аппаратурно-методический комплекс, обеспечивающий определение приоритетных радиологических показателей, включающий высокочувствительные методики выполнения измерений ультрамалых содержаний естественных и техногенных радионуклидов в подземных водах, принципиально новые способы подготовки проб, схемы радиометрических и спектрометрических измерений, математические алгоритмы получения результатов.
-
Определены природные и техногенные факторы, обусловливающие изменения радионуклидного состава подземных вод и типичные уровни объемных активностей депонированных радионуклидов и их BarajajjHHjrono^HHbie в основу классификации подземных вод по радионуклидномуадиав^Хцй^Хлымя"'
3 Созданы научно-обоснованная система критериев и специализированная база данных, обеспечивающие системный долговременный радиационный мониторинг и прогноз изменения радиоактивности подземных вод.
Научная новизна. Впервые обоснован и применен комплексный подход к широкомасштабным исследованиям естественной и техногенной радиоактивности подземных вод Московского региона с целью повьппения информативности и достоверности результатов. Разработан и апробирован современный комплекс экспрессных, высокочувствительных методик, позволяющих проводить оценку радиоактивного загрязнения вод как природного, так и техногенного характера. Научно обоснованы критерии и создана база данных современной радиоактивности подземных вод Московского региона, включающая информацию гидрогеологического и радиологического характера по водозаборам питьевого назначения.
Практическая значимость работы Автором впервые обобщен и использован фактический материал по естественной и техногенной радиоактивности подземных вод региона. С помощью разработанного аппаратурно-методического комплекса определения высокотоксичных естественных и техногенных радионуклидов, депонированных в подземные природные воды, определены средние фоновые уровни суммарной активности альфа- и бета-излучающих радионуклидов в большинстве крупных населенных пунктах Московской области, а также в ряде районов Москвы, получены данные о ра-дионуклидном составе подземных вод эксплуатируемых водоносных горизонтов питьевого назначения Все разработанные методики аттестованы в системе Госстандарта РФ, прошли метрологическую экспертизу, внесены в Госреестр и используются в более 300 лабораториях радиационного контроля.
Личный вклад. Автором введен термин «радиологический тип воды», созданы система критериев и специализированная база данных радиоактивности подземных вод, на основе которой можно проводить оценку радиоэкологической ситуации для конкретного водозабора, обеспечить радиационный мониторинг и прогноз изменения радиоактивности подземных вод, разработать комплекс защитных мероприятий. База данных внедрена в Центр ГСЭН г. Москвы Результаты исследований, полученные автором, легли в основу материала для разработки Программы исследования источников артезианского водоснабжения на территории г Москвы, проводимой ФГУ ЦГСЭН в г. Москве под патронажем Правительства Москвы.
Апробация работы Основные материалы диссертационной работы докладывались на конференциях- «Геоэкологическое картирование» (февр. 1998г, ВСЕГИНГЕО), «Экологическая геофизика и геохимия» (октябрь 1998г., Дубна), «Аналитика России» (Клязьма) в октябре 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 115 страниц компьютерного набора, содержит 19 рисунков, 10 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.
Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М Федоровского (ФГУП ВИМС) Автор искренне признателен научному руководителю, доктору геол.-мин. наук В.И Кузькину и руководителю лаборатории изотопных методов анализа ВИМС А.Е. Бахуру. Автор благодарит В.Т. Дубинчука, Л.И. Мануйлову, Т.М. Иванову, А.А. Рогожина, А.В. Гаврюшова, В.П. Васильеву, Д.А. Смелко-ва, Н.Г. Вакар, С Н. Шелестова за консультации и помощь в выполнении научных исследований.
*
Гидрогеологическая характеристика подземных вод, современное состояние и изученность естественной и техногенной радиоактивности основных водоносных горизонтов Московского региона
Изучение подземных вод Московского региона началось в пятидесятых годах 19-го века, когда в Москве, а также вблизи Серпухова и Подольска были пробурены первые скважины, вскрывшие водоносные горизонты в каменноугольных отложениях.
Началом же истории масштабного изучения ресурсов пресных подземных вод в Московском регионе следует считать выполненные в 1887 -1888 гг. под руководством инженера К. Э. Лембке гидрогеологические изыскания в бассейне верхнего течения р. Яузы для обоснования проекта строительства Мытищинского водозабора для водоснабжения г. Москвы на базе подземных вод четвертичных (надъюрских) песчано-гравийных отложений [31].
В тот период в бассейне р. Яузы на площади около 80 км было пробурено свыше 150 скважин, выполнен комплекс опытно-фильтрационных работ с производством кустовых откачек, изучен гидрологический режим р. Яузы и ее притоков, а также режим подземных вод, построена карта гидроизогипс, подсчитаны по формулам Дарси-Дюпюи фильтрационные параметры и в результате впервые оценены естественные и эксплуатационные ресурсы надьюрского (четвертичного) водоносного горизонта в размере 19.3 тыс. м3/сут. Построенный по результатам тех изысканий водозабор бесперебойно функционирует вот уже более 100 лет. Первые скважины на пресные подземные воды каменноугольных водоносных горизонтов с сохранившимися по ним сведениями, и даже функционирующими до настоящего времени, были пробурены в Московской области примерно в тот же период, что и изыскания подземных вод на Мытищинском водозаборе (1887 - 1895 гг.) на территориях фабрики Глуховской мануфактуры в Богородском (ныне г. Ногинск), в Люберцах, Павловском Посаде, Орехово-Зуеве и ряде других мест. В настоящее время в пределах Московского региона (Москва и Московская область) на учете находятся более 10 тыс. водозаборных скважин.
Геологическое строение Московского региона описано во многих литературных источниках [16, 41, 45 и др.].
На формирование ресурсов подземных вод оказывают влияние следующие основные факторы:
1. Структурно-тектоническое положение территории определяет общее погружение палеозойских отложений и приуроченных к ним гидрогеологических подразделений в северо-восточном направлении. Так, у южной и юго-западной границ территории первыми от поверхности постоянными водоносными комплексами являются алексинско-протвинский и каширский водоносные комплексы; в центральной части их сменяют подольско-мячковский и касимовский, на севере - гжельско-ассельский водоносные комплексы. На рисунках №№ 1.1.1., 1.1.2. приведены геологические разрезы, на которых отчетливо видна флексура, характеризующая гидрогеологическое строение изучаемого района.
2. Приуроченность территории к зоне умеренного климата, характеризующегося преобладанием осадков над испарением, создает благоприятные условия для питания подземных вод атмосферными осадками.
3. Широкая сеть древнечетвертичных и менее развитых неогеновых, бат-келловейских и азовской палеодолин, размывающих водоупорные горизонты и обеспечивающих тесную взаимосвязь четвертичных, мезозойских и каменноугольных водоносных подразделений.
4. Повсеместное распространение четвертичных отложений, иногда значительной мощности (до 130 м), и различного генезиса, обладающих огромной регулирующей емкостью для обеспечения питания нижележащих эксплуатируемых горизонтов карбона.
5. Наличие крупных дренирующих артерий - рек Оки, Москвы, Клязьмы, Осетра, Пахры, Истры, Сестры, Яхромы, Протвы, Нары, Лопас-ни и т.д., часто вскрывающих не только четвертичные, но мезозойские и каменноугольные водоносные подразделения.
6. Наличие зон повышенной трещиноватости в породах осадочного чехла, связанных с тектоническими и неотектоническими движениями по глубинным разломам фундамента, унаследованных в орографии и в речной (погребенной и современной) сети.
7. На территории Московского региона подземные воды содержатся в отложениях почти всех стратиграфических подразделений осадочного чехла. Гидрогеологические условия региона определяются его расположением на юго-западном склоне Московского артезианского бассейна, представляющим собой систему водоносных и относительно водоупорных горизонтов и комплексов, взаимосвязанных между собой. Зона пресных вод простирается до глубины 300 - 350 м.
В таблице 1.1.1. дано подробное гидрогеологическое и гидрогеохимическое описание основных водоносных каменноугольных горизонтов и комплексов питьевого назначения.
Водоносные горизонты и комплексы, являющиеся основными объектами эксплуатации подземных вод в Москве и Московской области, приурочены к каменноугольным отложениям [15, 22]:
S Водоносный гжельско - ассельский карбонатный комплекс (C3g Pia). S Водоносный касимовский карбонатный горизонт (Сзкэт).
S Водоносный ПОДОЛЬСКО-МЯЧКОВСКИЙ карбонатный горизонт (Сгрсі-mc).
S Водоносный каширский карбонатный горизонт (C2KS).
S Водоносный алексинско-протвинский терригенно-карбонатный комплекс (Cial-pr).
Яснополянский и упинский водоносные горизонты в гидрогеологическом отношении изучены гораздо хуже других, т.к. залегают на значительных глубинах и сложны для бурения и оборудования скважин на воду [15].
В Московской области имеется ряд водозаборных скважин, оборудованных совместно на комплексы водоносных отложений [22]:
S верхнекамеппоугольные водоносные отложения (С3): совместно гжельско-ассельский и касимовский водоносные комплексы (порядка 150 водозаборов). Наиболее интенсивно эксплуатируется в Сергиево-Посадском, Ногинском, Дмитровском, Пушкинском районах.
S среднекаменноугольные водоносные отложения (С?) , совместно подольско-мячковский и каширский водоносные комплексы (порядка 280 водозаборов). Наиболее интенсивно эксплуатируется в Раменском, Рузском, Люберецком, Коломенском и Одинцовском районах, г. Наро-Фоминске.
S средне - верхнекаменноугольпые водоносные отложения (С2-С3): в основном, совместно касимовский водоносный комплекс верхнего карбона и подольско-мячковский водоносный комплекс среднего карбона (порядка 150 водозаборов). Наиболее интенсивно эксплуатируется в Егорьевском, Солнечногорском, Люберецком, Химкинском районах.
Подземные воды мезо-кайнозойских отложений для централизованного водоснабжения Московской области практически не используются (всего на учете 100 скважин (порядка 1 % от общего количества)).
Около 55 % эксплуатационных скважин оборудованы на водоносные горизонты среднекаменноугольных отложений. Примерно 31 % скважин эксплуатируют подземные воды верхнекаменноугольных отложений. Около 11 % скважин оборудованы на нижний карбон [22].
Часть эксплуатационных скважин (9 %) одновременно вскрывает несколько водоносных горизонтов, что затрудняет однозначную интерпретацию информации о химическом и радионуклидном составе подземных вод.
Около 4 тысяч действующих эксплуатационных скважин одиночные. Остальные эксплуатационные скважины каждого недропользователя, как правило, объединены инженерными сетями в водозаборные узлы. Преобладают водозаборные узлы с 2 - 5 скважинами. Максимальное число скважин в водозаборных узлах достигает 17 - 20.
Разработка и применение современного комплекса методик для определения содержания высокотоксичных естественных и техногенных радионуклидов, депонированных в подземные воды, определяющего основу радиоэкологической оценки подземных вод Московского региона
Содержание радионуклидов в природных водах варьирует в очень широком диапазоне и зависит от состава вмещающих пород, локальных и региональных особенностей их геологического строения, типа вод, климатических условий и др.
Наиболее высокое содержание природных радионуклидов наблюдается в подземных водах, приуроченных к кислым магматическим породам, например в водах трещиноватых гранитов. Подземные воды осадочного чехла могут иметь как низкую, так и высокую активность, что определяется не только содержанием природных радионуклидов в водовмещающих породах, но и гидравлической взаимосвязью разных водоносных горизонтов, проницаемыми тектоническими зонами, «окнами» в водоупорных пластах. При этом подземные воды одного горизонта на разных участках могут иметь различные уровни содержания природных радионуклидов и даже разный радионуклидный и микроэлементный состав.
По данным НК ДАР ООН [88], вклад питьевой воды в суммарную дозу облучения населения не является преобладающим (за исключением отдельных регионов) и составляет около 12 мкЗв/год, причем практически целиком этот вклад приходится на долю природных радионуклидов. Наибольший вклад в формирование дозы облучения за счет потребления питьевой воды вносят изотопы урана (238U и 234U), радия (226Ra и 228Ra), радон (222Rn) и полоний-210 (210Ро), в меньшей степени — свинец-210 (210РЬ) и изотопы тория (228Th, 230Th, 232Th).
Как правило, вклад присутствующих в питьевой воде калия-40 (40К) природного происхождения, трития (3Н) и углерода-14 (14С) космогенного происхождения, а также искусственных радионуклидов 137Cs и 90Sr в облучение пренебрежимо мал [50].
Анализ распространенности этих и других радионуклидов в природных водах, их концентраций и характеристик радиотоксичности (таблицы №№ 2.1.1., 2.1.2.) показывает, что при формировании перечня контролируемых радионуклидов следует учитывать ярко выраженную специфику воды как объекта радиационного контроля:
- отсутствие радиоактивного равновесия как между нуклидами в цепочках естественно-радиоактивных рядов U и Th, так и радиоактивных изотопов одного элемента из-за резких различий в геохимическом поведении;
- возможные значительные вариации в удельной активности и ра-дионуклидном составе вод в пределах локального района или даже в пределах одного водоносного горизонта.
Еще один аспект, который необходимо учитывать при формировании перечня контролируемых радионуклидов, это - учет требований нормативных документов, регламентирующих и ограничивающих естественную и техногенную радиоактивность в питьевой воде, критерии допустимой дозовой нагрузки на население при потреблении воды [11, 13, 39, 42, 47, 50,51].
Для обеспечения радиационной безопасности населения в Российской Федерации в 1999 году был принят допустимый годовой уровень эффективной дозы облучения, обусловленной потреблением питьевой воды - 0.1 мЗв/год (НРБ-99 п. 5.3.5). Этим же документом установлены контрольные уровни суммарных активностей альфа- и бета- излучающих радионуклидов, при превышении которых необходим полный радионуклид-ный анализ, а также индивидуальные уровни вмешательства (УВвода) для радионуклидов, определяющих необходимость проведение защитных мероприятий.
В соответствии с этим, автором за основу был взят перечень контролируемых радионуклидов и радиационных параметров (таблица 2.1.З.), разработанный ранее для нормативных документов. Перечень разбит на три группы [5]:
общие показатели (предварительная оценка допустимости использования воды в питьевых целях);
основная группа практически значимых радионуклидов (234U, 238U, 226Ra, 228Ra, 210Po, 210Pb);
дополнительная группа радионуклидов, присутствие которых в ряде случаев может оказывать существенный вклад в формирование суммарной дозы (232 Th, 230Th, 228Th, техногенные 137Cs, 90Sr).
Неотъемлемой частью этого перечня является схема радиационного контроля воды, приведенная на рис. 2.1.1. [50].
Учитывая тот факт, что радионуклидный состав воды может быть как простым, так и достаточно пестрым, и количественное содержание в первую очередь природных изотопов может находиться на фоновом уровне и значительно варьировать, то и требования к методам исследования и получаемым результатам значительно повышаются. С другой стороны, разрабатываемый комплекс должен сочетать в себе и такие характеристики, как экспрессность, простота и доступность методов и используемой аппаратуры.
Ниже приведены методы, с помощью которых автор предлагает проводить радиологические исследования подземных вод Московского региона, их особенности и преимущества перед другими методами.
Надо отметить, что основу комплекса составляет методический материал, разработанный ранее в Лаборатории изотопных методов ВИМС для решения геологоразведочных и геоэкологических задач. В процессе разработки комплекса методики усовершенствовались в части упрощения процедур радиохимического выделения радионуклидов, способов подготовки непосредственно счетных образцов и параметров их измерения с целью повышения экспрессности и уменьшения себестоимости анализов. Кроме того, осуществлялись процедуры по метрологической аттестации методик в органах Госстандарта РФ и внесению их в официальный Реестр рекомендуемых для использования в сфере РК воды. Вместе с тем качество результатов улучшалось за счет применения высокочувствительных методик и аппаратуры, современных алгоритмов обработки результатов измерений. Одним из важнейших моментов при адаптации и модернизации методик радионуклидного анализа, как и при формировании перечня контролируемых радионуклидов, являлся учет требований нормативных документов [13,39, 42,47, 50, 51].
Обычно схема применения методов радиационного контроля выглядит следующим образом: на первом этапе исследований используются радиометрические методики, представляющие собой недорогой экспрессный вариант радиометрического альфа- и бета-анализа, основной целью которого является предварительная разбраковка экологических проб (в нашем случае пробы артезианских вод) относительно пороговых (регламентируемых) уровней активности, то есть определяется суммарная активность альфа- и бета-излучающих радионуклидов чтобы ответить на вопрос: необходимы ли более детальные исследования данной пробы воды. Это позволяет оптимизировать радиоэкологические исследования, ограничить объемы дорогостоящих спектрорадиометрических методов измерением лишь аномальных (превышающих регламентируемые значения) проб.
Дальнейшее определение радионуклидного состава и индивидуальных активностей радионуклидов в выделенных аномальных (выше порогового уровня) пробах происходит более сложными методами альфа-бета-гамма-спектрометрии с радиохимической подготовкой [54].
Термины «суммарная альфа-активность» и «суммарная бета-активность», используемые как в нормативных документах, так и в литературе, следует понимать как сумму активности соответственно альфа- и бета-излучающих радионуклидов (исключая легколетучие компоненты, радон-222 и короткоживущие продукты его распада), измеренную в сухом остатке водной пробы (счетном образце, приготовленном по регламентируемой методике), и численно равную активности стандартов сравнения идентичной геометрии при идентичных показаниях радиометра.
Современный уровень естественной и техногенной радиоактивности, определение природных и техногенных факторов, обусловливающих изменения радионуклидного состава подземных вод, классификация вод по радионуклидному составу
Масштабное комплексное изучение радиационных характеристик, и в том числе радионуклидного состава, подземных вод основных эксплуатируемых горизонтов Московского региона нами проводится впервые. Лаборатория изотопных методов ФГУП ВИМС начала подобные исследования в 1997 году, после введение в действие ряда нормативных документов, ограничивающих естественную и техногенную радиоактивность природных вод [13]. Всего за 8 лет исследований выполнено более 2500 определений суммарной активности альфа- и бета- излучающих радионуклидов со всей территории России, из них половина приходится на Москву и Московскую область. Радионуклидному анализу подверглось около 400 водозаборов (из них Москва и Московская область: 160).
Пробы артезианских вод представлены практически со всей территории Москвы и Московской области (рис. 3.1.1). Отбор воды из действующих скважин и доставка проб в Лабораторию осуществлялся организациями, занимающимися водными исследованиями по государственным программам: ЗАО Теолинк Консалтинг", ЗАО ТИДЭК", ОАО "Центр-геология", ФГУП "Геоцентр-Москва", а также районными Центрами ГСЭН и непосредственно организациями-владельцами скважин. Идентификация проб проводилась по номеру скважины в Государственном вод ном кадастре (ГВК). Там, где на пробах воды номер ГВК отсутствовал, привязка осуществлялась по точному месту отбора (район, населенный пункт, местный номер скважины).
Согласно схеме радиационного контроля, приведенной в [50], и перечню контролируемых радионуклидов и радиационных характеристик на первом этапе исследований определялись суммарные показатели радиоактивности воды. Приготовленный сухой препарат водной пробы измерялся на низкофоновых альфа- бета- радиометрах (УМФ-2000, LB-770 Berthold). Исходные данные по пробам и измеренные параметры активности заносились в базу данных.
Результаты измерений суммарной активности альфа- и бета- излучающих радионуклидов более 1000 водных проб отобранных в Московском регионе (см. рис. 3.1.1.) были проанализированы, и отображены в виде диаграмм (рис. 3.1.2., 3.1.3), на которых автором выделены определенные интервалы активности, куда попадали пробы с тем или иным значением исследуемого параметра.
Как видно из диаграммы распределения значений суммарной активности альфа- излучающих радионуклидов только 1/4 часть исследованных водных проб (25.9 %) из артезианских скважин Московского региона соответствует гигиеническим требованиям по питьевой воде [47] - не превышает норматив 0.1 Бк/л по показателю суммарной активности альфа-излучающих радионуклидов.
3/4 от общего объема исследованных водных проб в той или иной степени превышают этот норматив, причем примерно 16-17 % - более чем в 5 раз.
Картина полученных значений суммарной активности бета- излучающих радионуклидов (рис. 3.1.3.) более оптимистична.
Только 0.5 % (4 скважины) из общего объема исследованных проб превышают норматив 1.0 Бк/л приведенный для этого показателя в [47]. Предположительно, это превышение суммарной бета- активности обусловлено присутствием в водах анализируемых скважин повышенного содержания природного К40.
Если сравнивать суммарную активность альфа- излучающих радионуклидов непосредственно для г. Москвы и Московской области (рис. 3.1.4.), то получаем следующее:
Доля радиологически "чистой", в интервале активности до 0.1 Бк/л, артезианской воды в г. Москве в 6 раз меньше, чем по Московской области.
По другим интервалам активности (0.1-0.2; 0.2-0.4; 0.4-1.0 Бк/л) также видно, что вода в Москве более "грязная", чем в области.
Объяснение напрашивается только одно: техногенное воздействие мегаполиса стало все более интенсивно проявляться и на подземных водах. Изменение химических и других свойств воды влечет изменение и радионуклидного состава этой воды.
На основе результатов исследований автором составлена таблица (табл. 3.1.1) средних (типичных) значений суммарной активности альфа-излучающих радионуклидов для некоторых населенных пунктов и районов Московской области, где набранная в достаточном объеме статистика позволяла сделать такой анализ.
Из таблицы (а также из диаграммы 3.1.2.) следует, что средний типичный (фоновый) уровень значений суммарной активности альфа- излучающих радионуклидов в подземных водах Москвы и Московской области составляет 0.10 - 0.30 Бк/л.
Аномальные значения суммарной альфа- активности, полученные в результате исследований, как правило связаны с присутствием в подземных водах повышенных содержаний естественных радионуклидов 226Ra, 238U, 234U и 210Ро.
Средние (типичные) значения суммарной активности бета- излучающих радионуклидов варьируют в пределах от 0.10 - 0.15 до 0.45 - 0.50 Бк/л.
Данные по суммарной активности альфа- и бета- излучающих радионуклидов в основных водоносных горизонтах питьевого водоснабжения Московского региона (рис. 3.1.5.) наглядно иллюстрируют изменение этих радиологических параметров в зависимости от горизонта. Самый «чистый» водоносный горизонт - гжельско-ассельский водоносный комплекс (верхний отдел карбона - нижний отдел пермской системы). Наиболее неблагополучные с точки зрения суммарных уровней активности - горизонты нижнего отдела карбона: окско-протвинский, алексинско-протвинский и каширский водоносные горизонты. Анализ этих результатов последует ниже.
В таблице 3.1.2. представлены данные по сезонным вариациям значений суммарной активности альфа- и бета- излучающих радионуклидов на примере некоторых скважин г. Электрогорска. Из таблицы следует, что значения суммарной активности практически не изменяются во времени. Следовательно, в данном районе эксплуатируемый водоносный горизонт имеет достаточно хорошую защищенность от проникновения извне различных загрязняющих веществ техногенного и природного происхождения, регулярно и равномерно эксплуатируется.
Как правило, суммарная активность альфа- излучающих радионуклидов поверхностных вод (открытые водоемы, неглубокие колодцы, реки, водохранилища) существенно ниже суммарной активности подземных вод, в которых повышенные значения обусловлены обогащением естественными радионуклидами вмещающих горных пород.
Проведенные в 2000-2001 гг. автором в составе Лаборатории изотопных методов исследования суммарной активности альфа- и бета- излучающих радионуклидов порядка 90 водных проб отобранных из поверхностных водоисточников в рамках договора с ООО «Инфоком-Гео» «Исследование радионуклидного состава проб природных образований 30-км зон АЭС» подтвердили данное утверждение. Работы проводились в 30-км зонах Смоленской, Воронежской, Курской и Калининской АЭС. Пробы воды отбирались из частных колодцев, колонок, прудов-охладителей, рек и озер.
Поверхностные источники водоснабжения (водохранилища и реки), являясь открытыми водосистемами, в большой степени подвержены техногенному воздействию. Однако и подземные источники, хотя и закрытые системы, но с активной гидродинамикой, испытывают значительное влияние природных и техногенных факторов. Решая одну из основных задач, автор в своей работе выделяет следующие группы критериев (факторов), влияющих на изменение радионуклидного состава подземных вод:
1. Природные факторы: структурно-тектонические - наличие зон трещиноватости, разрывных нарушений, наличие рудопроявлений; гидрогеологические - глубина залегания водоносного горизонта, состав водовмещающих горных пород, химический и газовый состав подземных вод; ландшафтно-геоморфологические - напорность подземных вод (выход на поверхность водоносных горизонтов каменноугольного возраста), зоны разгрузки поверхностных вод в подземные воды.
2. Техногенные факторы:
- наличие зон депрессий, вызванных массовым и неконтролируемым во-доотбором (следовательно, подсос вышезалегающих поверхностных вод);
- влияние свалок промышленных и бытовых отходов;
- деятельность предприятий ядерно-промышленной и ядерно-исследовательской направленности.
Более подробно влияние природных и техногенных факторов на радиоактивность подземных вод Московского региона будет рассмотрено в Главе 4.
После предварительных исследований некоторые пробы со значениями суммарной активности альфа- излучающих радионуклидов, превышающими нормативные (примерно седьмая часть от общего количества) подверглись радионуклидному анализу. Основной набор определяемых радионуклидов в таком анализе включает 238U, 234U, 226Ra, 228Ra, 210Po, Pb [39]. Но в рамках Программы исследования источников артезианского водоснабжения на территории г. Москвы в пробах воды из скважин го рода определялось также содержание радионуклидов Th, Th, Th
По результатам исследования радионуклидного состава 160 скважин были получены данные, которые свидетельствуют, что в основном вода из артезианских скважин Москвы и Московской области имеет радиевую (более 50 % от всего объема выполненных полных анализов), радий-полониевую (29%), радий-урановую (10 %) и урановую (4 %) природу (альфа- спектр изотопов урана такой воды приведен на рис. 3.3.1) повышенных значений суммарной альфа- активности.
Разработка научно-обоснованной системы критериев и специализированной базы данных, обеспечивающих системный долговременный радиационный мониторинг и прогноз изменения радиоактивности подземных вод и включающие гидрогеологические, структурно-тектонические, геоморфологические, техногенные и радиологические факторы (обобщение результатов исследований)
Влияние природных факторов на радиоэкологическое состояние подземных вод.
Как уже было отмечено в Главе 1, гидрогеологические условия изучаемого района определяются его расположением на юго-западном склоне Московского артезианского бассейна, представляющим собой систему водоносных и относительно водоупорных горизонтов и комплексов, взаимосвязанных между собой.
Характерная его черта - отчетливо выраженная вертикальная гидрогеохимическая зональность, которая проявляется в закономерном изменении по вертикали концентраций и соотношений макро- и микрокомпонентов подземных вод. В частности, величина S047C1" в них заметно возрастает к поверхности вплоть до сульфатно-гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод, что свидетельствует о большей летучести серы по сравнению с хлором.
В верхней части бассейна (зона активного водогазообмена) залегают пресные гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с минерализацией до 1 г/л. Ее мощность на изученной территории сильно колеблется и чаще всего не превышает 300 м. Ниже расположена зона солоноватых сульфатных и хлоридно-сульфатных кальциево-натриевых вод мощностью 200-300 м с минерализацией 1-10 г/л. Третья зона представлена солеными хлоридно-натриевыми водами с минерализацией 10-50 г/л.
Питание подземных вод в зоне активного водогазообмена происходит преимущественно за счет кислородосодержащих вод метеорного происхождения. В нижней части артезианского бассейна существенное значение имеет поступление глубинных флюидных потоков вследствие современной дегазации глубоких геосфер (Пронин, Башорин,1996).
Анализ геохимической информации, гидрогеологических, структурных карт Московского региона позволил автору оценить влияние как геохимических, так и структурно-тектонических условий территории (особенно разрывных нарушений различного порядка, подтвержденных геофизическими и гелиевым методами [66]) на изменение радионуклидного состава подземных вод.
Структурно-тектоническое положение изучаемой территории определяет общее погружение (флексура) палеозойских отложений и приуроченных к ним гидрогеологических подразделений в северо-восточном направлении.
У южной и юго-западной границ региона первыми от поверхности постоянными водоносными горизонтами являются алексинско-протвинский, окско-протвинский и каширский. Эти горизонты, как отмечалось в Главе 3 (рис. 3.1.5.), являются самыми неблагополучными по суммарным показателям, прежде всего альфа- активности. Средняя глубина скважин в этих районах составляет примерно 60-90 м. По химическому составу здесь преобладают гидрокарбонатные кальциево-магниевые и сульфатные магниево-кальциевые воды.
Эксплутационные подземные воды в южных и юго-западных районах области попадают в зону влияния структурно-тектонических нарушений связанных с Пачелмским авлакогеном: Коломенским и Зарайским глубинными разломами. Так, аномальные содержания изотопов урана (от 0.6 до 1.3 Бк/л по 238U и 234U), отмеченные в районе гг. Ступино, Чехов, могут быть обусловлены поступлением через гидрогеологические «окна» [66] по узлам сочленения разломов интенсивных флюидных потоков гелия и минерализованных глубинных вод и растворов, содержащих фтор, литий, мышьяк, сурьма, селен, уран, титан, магний, железо, алюминий, фосфор. Максимальное содержание удельной (объемной) активности изотопов урана ( U, U) было зафиксировано в арт. скважине на территории детского оздоровительного лагеря им. Гагарина вблизи д. Петрово Ступинского района — 1.31 Бк/л по каждому из изотопов урана.
На карте распространенности радиологических типов подземных вод (рис. 3.2.2.) хорошо видно, что в южной части Московского региона доля «урановой» воды в зонах влияния тектонических нарушений Коломенского и Зарайского активных глубинных разломов довольно значительна.
В юго-восточной части Московского региона (район г. Коломна) повышенное присутствие в пробах подземных вод урана, а также изотопов уранового ряда: радия-226 и полония-210, может быть также связано с ру-допроявлениями фосфоритов в юрских глинистых отложениях, развитие которых обусловлено флюидной обработкой пород практически всего стратиграфического разреза начиная от архейско-нижнепротерозойского фундамента.
В центральной части региона первыми от поверхности водоносными горизонтами являются подольско-мячковский и касимовский горизонты. Средняя глубина скважин на эти горизонты составляет 80-100 м. По химическому составу здесь преобладают гидрокарбонатные кальциево-магниевые и магниево-кальциевые воды с околонейтральной и слабощелочной реакцией среды (рН 7-8).
К северу распространения подольско-мячковского и касимовского горизонтов воды становятся гиброкарбонатно-сульфатными, сульфатными и далее хлоридными. Алексинско-протвинский водоносный комплекс и каширский горизонт все еще являются объектами эксплуатации, но глубины скважин уже достигают 250 м.
По геолого-геофизическим материалам в центральной части Московского региона поверхность кристаллического фундамента осложнена субширотно ориентированным Подмосковным авлакогеном, имеющим сложную грабено-горстовую внутреннюю структуру. Авлакоген ограничен глубинными разломами, имеющими собственные названия: на западе Гжатским и Можайским, на востоке - Павлово-Посадским и Раменским. Тектонические разрывы Подмосковного авлакогена также трассируются цепочками водногелиевых аномалий [66].
В зонах тектонических нарушений, где вследствие разрушения региональных водоупоров формируются специфические гидродинамические условия водообмена между водоносными горизонтами, нами зафиксированы повышенные содержания изотопов урана (гг. Москва, Жуковский, Видное: до п хЮ"1 Бк/л), и аномальные значения объемной активности 210Ро (гг. Лыткарино, Балашиха: от 0.07 до 0.24 Бк/л). Есть предположение, что причиной таких содержаний природных изотопов также является проникновение глубинных растворов, поднимающихся по узлам сочленения разломов и трещинам в осадочном чехле. Но в радиологическом типе вод этой части региона преобладающей является «радиевая» составляющая. Это хорошо видно на рисунках 3.2.2. и 3.2.3. Причем, иногда концентрации Ra весьма значительны (до п Бк/л по Ra). Природа повышенных содержаний изотопов радия может быть разная. Скорее всего, в данном случае сливаются воедино и структурно-тектонические, и гидрогеохимические, и техногенные факторы. Гидрокарбонатный состав подземных вод региона создает благоприятные условия для миграции радия, на геохимические особенности которого практически не оказывают влияния окислительно-восстановительные условия. Вместе с тем, радий (а также и полоний-210), являясь звеном в цепочке радиоактивного распада урана, может привноситься с глубинными потоками в верхние горизонты, распространяясь по ним достаточно широко. А интенсивное взаимодействие вод различных водоносных горизонтов, возникшее в последнее время в результате развития депрессий разного порядка, обуславливает практически повсеместное присутствие изотопов радия в артезианских водах питьевого назначения.
Из-за многообразия форм нахождения урана в твердой фазе и влияние гидрогеологических и гидродинамических факторов нельзя точно установить соответствие между химическим составом вод и содержанием урана в них. Сыромятников Н.Г. [59] предлагает оценивать влияние химического состава природных вод на содержание природного урана в водах по показателю рН. Но автором такие исследования не проводились из-за недостаточности точной информации по химическому составу анализируемых водных проб.
