Введение к работе
Постановка проблемы и ее актуальность. Главное требование к объектам длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) или захоронения высокоактивных отходов (ВАО) - обеспечение надежной изоляции радионуклидов от экосферы на период их потенциальной радиобиологической опасности. Особенно это актуально в случзе захоронения ВАО, в состав которых входят среднежизущие и долгоживущие радионуклиды. Изоляция их от экосферы составляет в первом случае 1000 лет, а во втором — должна быть обеспечена до 10 000 лет, что сопоставимо со шкалой «геологического времени».
Считается, что необходимый уровень безопасности хранилищ - могильников в кристаллических породах (магматические и метаморфические породы алюмосили-катного состава, а также вулканические породы, содержащие то или иное количество стекла) обеспечивается с помощью мультибарьерной системы защиты, включающей комплекс инженерных барьеров и вмещающую их среду (геологический барьер). Для геологического барьера определяются степень тектонической нарушенное, минерально-химический состав, физико-механические и сорбционно-емкостные свойства пород, проводятся измерения современного напряженного состояния среды, выявляются ее гидродинамические и гидрогеохимические параметры.
Традиционно прогноз долговременной безопасности при подземной изоляции ВАО и ОЯТ основывается на результатах модельных расчетов динамики распространения потока подземных вод и миграции в нем радионуклидов. Ключевое значение для расчетов имеют данные фильтрационных и миграционных тестов, проводимых в естественном залегании пород. Однако приложение этих данных для прогнозных фильтрационно-транспортных моделей ограничено тем, что расчёты скоростей переноса радионуклидов основываются на результатах определения современной морфологии, состояния и гидравлических свойств разрывов. При этом не учитывается вероятность перестройки каркаса флюидопроводящих разрывных нарушений и изменение условий переноса радионуклидов за счет изменения напряженно-деформированного состояния пород в будущем.
Поэтому для обеспечения долговременной безопасности системы хранения / захоронения ВАО и ОЯТ необходимо сложившуюся стратегию выбора участков и традиционные методы изучения изоляционных свойств пород дополнить комплексом тектонодинамических исследований, направленных на выявление пространственно-временных взаимосвязей между полями напряжений, механизмами деформации пород, тектоническими движениями и перемещением радионуклидсодержащих флюидов в структурных неоднородностях различного масштаба (разломы, макротрещины, микротрещины, поровые каналы, межзерновые границы).
Цель и задачи исследования. Основная цель исследований - разработать методологию изучения тектонодинамических факторов, контролирующих миграцию радионуклидов в разномасштабных флюидопроводящих структурах и определяющих условия долговременной изоляции ВАО и ОЯТ в неоднородно деформированных кристаллических породах. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Выявление пространственно-временных взаимосвязей между разномасштабными тектоническими полями напряжений, механизмами деформационных преобразований и процессами формирования гидравлически активных элементов структурного каркаса массивов кристаллических пород.
-
Проведение сравнительного анализа морфогенетических особенностей флюидопроводящих разрывных нарушений в породах, обладающих различными петрофизическими свойствами и характером деформационных преобразований.
3. Изучение анизотропии петрофизических свойств пород и степени ее влияния на условия миграции радионуклидов в системе «трещина-околотрещинное пространство».
*+. определение нзиорз методов тбктонодйнзмйческсго анализа палее— и современного состояния каркаса флюидопроводящих структур, который в сочетании с данными инструментальных геомеханических и фильтрационно-транспортных тестов, позволяет осуществить прогноз возможного изменения условий переноса радионуклидов в будущем.
Научная новизна. Автором впервые предпринято обобщение данных, отражающих пространственно-временную взаимосвязь между полями напряжений, тектоническими движениями, механизмами деформаций и петрофизическими свойствами пород для выявления путей и анализа условий миграции радионуклидов в трещинно-пористой среде неоднородно деформированных кристаллических массивов в контексте долговременной изоляции ВАО и ОЯТ.
Установлены основные закономерности изменения петрофизических свойств пород как функции расстояния от растворопроводящих структур и разработан новый метод изучения упругих и фильтрационных свойств в керновых образцах.
Определены тектонодинамические условия миграции радионуклидов в системе «трещина-околотрещинное пространство» в зависимости от напряженно-деформированного состояния пород и анизотропии их петрофизических свойств.
Разработана методология изучения тектонодинамического состояния массивов кристаллических пород для планирования мероприятий по выбору полигонов и детальному изучению участков, потенциально благоприятных для изоляции ВАО и ОЯТ. Эта методология в сочетании с существующими инструментальными способами определения напряженного состояния и фильтрационных свойств пород обеспечивает улучшение качества оценки долговременной безопасности системы хранения и/или захоронения ВАО и ОЯТ.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования результатов исследований на различных стадиях изучения полигонов для создания объектов длительного хранения ОЯТ и захоронения ВАО, например, при оценке уровня безопасности этих объектов на основе анализа путей распространения и условий мифации радионуклидов. Кроме того, результаты исследований, отражающие пространственно-временные взаимосвязи между разномасштабными полями напряжений, механизмами деформации, тектоническими движениями и гидродинамикой геологических структур, могут найти применение в таких областях, как прогноз устойчивости подземных горных выработок на действующих горнорудных предприятиях и увеличение сырьевой базы уранодобывающих предприятий за счет поиска и разведки новообразованных (переотложенных) рудных концентраций. На основе полученных результатов автором предложен ряд практических рекомендаций, которые использовались при планировании НИОКР и заверены результатами геологосъемочных и геологоразведочных работ на территориях действующих радиохимических и уранодобывающих предприятий.
Фактический материал и методы исследований. Работа базируется на материалах многолетних исследований автора урановорудных месторождений (Стрель-цовское рудное поле в Забайкалье и Дорнотское рудное поле в Монголии), изучения районов действующих радиохимических предприятий (Производственное объединение (ПО) «Маяк» в Челябинской области и Горно-химический комбинат (ГХК) в Красноярском крае), а также на опыте, приобретенном при посещении зарубежных подземных исследовательских лабораторий (ПИЛ) и центров по переработке и хранению РАО (хранилище Морслебен, лаборатория Конрад и хранилище Горлебен в Германии; лаборатория Гримзель в Швейцарии; хранилище WIPP, центр мониторинга ок-
ружающей среды в Карлсбаде, ядерный полигон в Неваде и хранилище Юкка Маун-тин в США; хранилище д'Об, рекультивационный центр Бесин и лаборатория Бюр -Верхняя Марна во Франции).
Основная часть фактического материала была получена автором при проведении исследований в составе научного коллектива Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН по следующим ключевым темам: «Разработка геологических и рздиогеохимических критериев безопасного захоронения высокорадиоактивных отходов в недрах Земли», 1991-1994 г.г. (руководители В.И. Величкин, Б.И. Омельяненко); «Оценка защитных свойств геологической среды района ПО «Маяк» на основе геологических, гидрогеохимических и петрологических исследований», 1S92-1997 г.г. (руководитель В.И. Величкин); «Научные основы радиогеоэкологии», 1993-1995 г.г. (руководители В.И. Величкин, Б.И. Омельяненко); «Геологическая среда и транспорт радионуклидов», 1994-1996 г.г. (руководители Н.П. Лаверов, В.И. Величкин); «Научные основы обеспечения безопасного захоронения радиоактивных отходов», 1996-2000 г.г, (руководитель Н.П. Лавероз); «Геологические основы длительного хранения и подземного захоронения высокорадиоактивных отходов и облученного ядерного топлива», 2001-2004 г.г. (руководители Н.П. Лаверов, В.И. Величкин), которая проводилась в рамках раздела ФЦП «Ядерная и радиационная безопасность России на 2000-2006 г.г.» - «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение», реализуемой Федеральным агентством по атомной энергии (Росатом). Фактический материал также был получен в процессе тематических исследований по контрактам с Росатомом и Роснауки, проектам РФФИ, международным проектам «Массоперенос урана в трещиноватых спекшихся туфзх», 2001-2004 г.г. (проект RG0-2Q202-EM50 Министерства энергетики США) и «Миграция флюидов в геологической среде: экологические приложения» (проект 8572 НЦНИ Франции).
Для решения задач, поставленных в работе, использовались различные методы исследований: геолого-структурные, картографические, включая компьютерную обработку геолого-геофизических данных на основе ГИС и CAD технологий, методы тектонофизического анализа полей напряжений, тектонических движений и деформаций геологической среды, методы структурно-петрофизического анализа горных пород, включая порометрию, ультразвуковое прозвучивание, ахустическую эмиссию и импрегнацию образцов трзссерсодержащими гелями, минералого-петрографические, включая микроструктурный анализ и метод осколковой радиографии, методы изучения механических и теплофизических свойств пород и др. Для детального изучения анизотропии петрофизических свойств был специально разработан ультразвуковой метод выявления и двумерной визуализации неоднородностей упругих и фильтрационных свойств пород в керновых образцах, а для характеристики процессов, происходящих в система «трещина-скслотрещинное пространство», помимо вышоотмо-ченных методов, привлекались физико-химические и изотопно-геохимические данные. Большая часть лабораторных испытаний образцов пород проводилась на при-берно-зналитичзскей базе и совместно со специалистами МГУ им. М.В. Ломоносова (Геологический и Физический факультеты), ИФЗ РАН, ИЭМ РАН, Лаборатории UMR 7566 G2R Университета Анри Пуанкаре (Нанси, Франция), Лаборатории радиохимии Университета Хельсинки (Финляндия) и Федерального ведомства по геонаукам и природным ресурсам (Ганновер, Германия).
Основные положения, выдвигаемые к защите.
1. Оценка вероятности изменения геодинамической обстановки и тектонофизи-ческих условий для массивов кристаллических пород, в пределах которых предполагается осуществить изоляцию ВАО и ОЯТ, основана на результатах палеогеоди-намических реконструкций, анализе механизмов деформации различных по петро-
физическим свойствам пород и воссоздании динамики формирования каркаса флюидопроводящих структур разноранговых тектонодинамических систем в разновозрастных полях напряжений с учетом латеральной и вертикальной зональности в развитии этих процессов.
-
Мультикомпонентные реакционные модели миграции и накопления радионуклидов в различных окислительно-восстановительных условиях базируются на интегрированных данных по иерархии флюидопроводящих структурных неоднород-ностей (разломы, макро- и микротрещины, поровые каналы и межзерновые границы), изменению их морфологии, ориентировки и фильтрационно-емкостных свойств в разновозрастных тектонических полях напряжений, зональности минерально-химических преобразований вмещающих пород и времени взаимодействия в системе «флюид-трещина-околотрещинное пространство».
-
Основой для реконструкции фильтрационно-транспортных процессов в тек-тонодинамической системе «трещина-околотрещинное пространство» и прогноза термо-гидромеханических и химических преобразований в кристаллических массивах при изоляции ВАО и ОЯТ являются данные по характеру напряженно-деформированного состояния пород, анизотропии их петрофизических свойств и морфогене-тическим особенностям структуры порсвого пространства.
-
Методология анализа тектонодинамических условий долговременной изоляции ВАО и ОЯТ в массивах кристаллических породах включает набор взаимодополняющих методов полевых и лабораторных исследований, которые применяются на последовательных этапах выбора полигонов и позволяют на основе восстановления истории геологического развития массивов и выявления неоднородности их состава, свойств и современного состояния, осуществить прогноз изменения геодинамической обстановки, тектонофизических условий, петрофизических параметров среды и механизмов миграции радионуклидов а разномасштабных флюидопроводящих структурах в будущем.
Апробация работы. Результаты исследований нашли отражение в более шестидесяти работах, опубликованных в российских и зарубежных изданиях, а также в научных и научно-производственных отчетах ИГЕМ РАН, ВНИПИПТ Росатома, Роснауки, Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Анри Пуанкаре, Франция.
Результаты исследований и основные защищаемые положения докладывались на различных симпозиумах, конференциях и совещаниях, включая следующие: «Научные основы обращения с ядерными отходами» под эгидой Общества по изучению материалов (Бостон, США, 1995; Давос, Швейцария, 1997), «Глобальные и регио-нальные околого-экономические проблемы геологии» (Москва, 1996), «Свойства туфов - гидрология и использование» (Санта-Фэ, США, 1996) и «Миграция радионуклидов s геосфере» (Лос-Лла;.50С, США, 1999) под огидсй Лос Ллзмосской национальной лаборатории, «Деформационные механизмы в природе и эксперименте» (Базель, Швейцария, 1997), «Новые технологии в захоронении радиоактивных отходов - Dis-Тес» (Гамбург, Германия, 1998; Берлин, Германия, 2004), «Глобальные решения по разоружению и обращению с ядерными материалами» (Краков, Польша, 1998), «Текстуры и физические свойства пород» (Геттинген, Германия, 1999), «Захоронение РАО на территории ПО «Маяк», КНТС Минатома РФ и РАН (Озерск, 1999), «Хранение и захоронение ВАО и ОЯТ» под эгидой национальной лаборатории Лоуренс Ливермор (Лас-Вегас, США, 2000), «Реабилитация загрязненных территорий» (Монтерей, США, 2000), Координационный совет по научно-техническому сотрудничеству Министерства энергетики США и РАН (Москва, 2000), «Миграция радионуклидов в трещиноватых породах» (Торонто, Канада, 2001), «Методы изучения петрофизических свойств пород» (Ницца, Франция, 2001), «Захоронение РАО на территории ГХК» (Красноярск,
2001), «Петрофиэические свойства пород» под эгидой Лондонского геологического общества (Лондон, Великобритания, 2001), «Проблемы захоронения радиоактивных отходов» (Ла Гранд-Мот, Франция, 2001), «Геология урановых месторождений» (Прага, Чешская Республика, 2002), «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем» (Москва, 2002), «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле» (Москва, 1997,1999, 2001, 2003,2005), Геофизические чтения им. В.В. Федынского (Москва, 2002), НТС Мииатсмз РФ и РАН (Москва, 2002), «Геохимия урана» (Нанси, Франция, 2003), «Обращение с радиоактивными отходами и реабилитация окружающей среды - 1СЕМ» (Оксфорд, Великобритания, 2003; Глазго, Шотландия, 2005), «Производство урана и делящихся материалов для ядерного топливного цикла» под эгидой МАГАТЭ (Вена, Австрия, 2005), «Сергеевские чтения» (Москва, 2005). Основные методические аспекты и результаты исследований также апробировались в рамках тематических докладов в Университете Миннесоты, Факультет инженерной геологии и минеральных ресурсов (Миннеаполис, США, 1994), в Геотехническом центре Цюриха (Швейцария, 1997), в представительстве Европейской комиссии по проекту TACIS 9303 «Оценка реабилитационных мероприятий для территорий уранодобывающих предприятий в СНГ» (Берлин, Германия, 1996-1998), в Университете Лейстера (Лондон, Великобритания, 2001), в Министерстве энергетики США по программе Госдепартамента США «Законодательство по охране и реабилитации окружающей среды» (Вашингтон, окр. Колумбия, США, 2002), в Лос-Аламосской национальной лаборатории по проекту Министерства энергетики США RG0-20202-EM50 «Массоперенос урана в трещиноватых спекшихся туфах» (Лос-Алзмос, США, 2002), в Университете Анри Пуанкаре по проекту НЦН'И Франции № 9572 «Миграция флюидов в геологической среде: экологические приложения» (Нанси, Франция, 2003-2004) и в Геоцентре Ганновера (Германия, 2004-2005).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Текст диссертации (475 стр.) сопровождается 234 иллюстрациями-И 27 таблицами. Список литературы содержит 418 наименований.
