Еремеева А.А.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В НИЖНЕКЕМБРИЙСКИХ СИНИХ ГЛИНАХ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет) (СПГГИ (ТУ)), e-mail: eremeevaa@mail.ru
В Ленинградской области обычно генерируется большой объем отходов различного состава, токсичности и степени радиоактивности. Все радиоактивные отходы (РАО) Санкт-Петербурга складируются на Ленинградском спецкомбинате ⌠Радон■ и хранилищах Ленинградской АЭС, экологическая опасность эксплуатации которых доказывается специальными наблюдениями за миграцией радионуклидов.
В настоящее время планируется подземное захоронение РАО в районе пос. Копорья, который расположен в 10 км к югу от Финского Залива. Средой для захоронения РАО будут служить нижнекембрийские синие глины мощностью до 116 м, перекрытые маломощным чехлом отложений нижнепалеозойского и четвертичного возрастов. Синие глины подстилаются нижнекембрийскими песчаниками ломоносовской свиты мощностью 20-40 м, к которым приурочен водоносный горизонт, используемый для водоснабжения в центральных и западных районах Ленинградской области.
Проектируемое подземное хранилище в районе Копорья, может быть двух типов: приповерхностного (на глубинах до 50 м), а также подземного - на глубинах более 50 м, учитывая мощность синих глин в этом районе, а также наличие под глинами ломоносовского водоносного горизонта.
При проектировании подземного захоронения РАО синие глины рассматривались как тонкопористые отложения, с низким значением коэффициента фильтрации (Кф <10 (-4 ) степени м/сут), обладающие надежными водоупорными свойствами и хорошей сорбционной способностью. Постулировалась также их устойчивость при радиационном, температурном воздействиях и в агрессивных средах [1].
Однако комплексные исследования этих отложений, проведенные на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ, показали, что они имеют ряд весьма важных специфических особенностей, которые определяют низкий уровень безопасности и надежности захоронения в них РАО.
Нижнекембрийские синие глины следует рассматривать как трещиновато-блочную среду, причем характер и интенсивность трещиноватости определяются тектоническими и нетектоническими факторами. В свою очередь, тектонические трещины зависят от наличия и степени концентрации разломов и современных тектонических движений. Прослеживается определенная закономерность изменения степени трещиноватости по глубине вне и в зонах тектонических разломов. При этом, коэффициенты фильтрации и молекулярной диффузии трещиновато-блочной среды возрастают на 2 √ 3 порядка по сравнению с теми же показателями нетрещиноватой глинистой толщи. Синие глины имеют низкую сорбционную способность (емкость поглощения <12 мг-экв/100 г), что объясняется экранированием глинистых частиц органическими пленками. Синие глины неустойчивы в агрессивных средах, в том числе в кислых и щелочных стоках: при рН < 6 и рН > 9 начинается разрушение высокощелочных гидрослюд, которые присутствуют в составе тонкодисперсной части.
Наиболее слабо изученным вопросом является процесс воздействия радиоактивного излучения на изменение свойств глин. При радиационном воздействии наблюдается изменение в валентных колебаниях связей Si √ O и Al √ О и дегидратация глинистых минералов с выделением конституционной и кристаллизационной воды из решетки минерала. Основные дефекты в пакетной части глинистых минералов развиваются при действии радиационного облучения, составляющего 105-106 Грей, при этом активизируется процесс разрушения алюмосиликатного ядра глинистых минералов при определенной последовательности выхода ионов из кристаллической решетки √ Fe3+>Са2+>Мg2+>Na+>K+ .
Процесс радиолиза поровой воды приводит к образованию свободных радикалов и молекулярных компонентов, которые вызывают изменение кислотно-щелочных условий и окислительно-восстановительной обстановки в глинистой толще.
В синих глинах при поглощенных дозах до 10 (2) степени √ 10 (3) степени Гр в процессе радиолиза поровых вод органика и сульфиды активно окисляются с образованием сульфатов, гидрокарбонатов и карбонатов.
Кроме того, присутствие органики и сульфидов в синих глинах предопределяет интенсивное радиолитическое газообразование с выделением свободного кислорода и азота, что приводит к их дополнительной химической трансформации.
Повышение температуры толщи пород при радиоактивном распаде обычно вызывает активизацию процесса радиолиза воды. Совместное воздействие радиационного и температурного факторов способствуют также глубокой дегидрадации глинистых минералов.
Усиление трещиноватости глинистых пород, вызванное дегидратацией, с одновременным преобразованием их минерального состава при длительном радиоактивном облучении предопределяет негативные изменения массива в зоне влияния хранилище отходов.
Подтверждением вышеуказанным теоретическим положениям являются результаты экспериментов, проведенные на образцах ненарушенного сложения нижнекембрийских синих глин, отобранных в основании хвостохранилищ низкоактивных отходов и подвергшихся облучению в течение 50 лет. Длительное воздействие радиации существенно изменило их вещественный состав, прежде всего содержание глинистых минералов в породе, некоторые показатели физических свойств, физико-химическую активность, а также прочность и деформационную способность. При визуальной оценке нижнекембрийских синих глин, претерпевших длительное радиационное облучение, отмечается их интенсивная степень дезинтегрированности и трещиноватости. Проведенный рентгеноструктурный анализ глинистых минералов показал, что в составе глинистой фракции d<0,002 мм были зафиксированы только иллит и мусковит, в то время как необлученные породы содержат хлорит, гидромусковит, гидробиотит, глауконит. Большая часть глинистых минералов претерпела значительную аморфизацию, что подтверждается результатами изучения емкости поглощения синих глин. В облученных образцах значение этого показателя возросло почти в 2 раза и составило 20-22 мг-экв/100 г породы.
Глины в основании хвостохранилища характеризуются заметными
изменениями параметров физико-механических свойств по сравнению с теми
же характеристиками пород вне зон воздействия РАО. Так, например, уменьшается
плотность синих глин в 1,2 раза за счет увеличения степени их дезинтегрированности
под действием радиации.
Особенно значительное изменение претерпела величина числа
пластичности как показателя гидрофильности породы, которая возросла 1,9
раза, при этом рост числа пластичности наблюдался, в основном, за счет
повышения влажности на пределе текучести в 1,4 √ 1,8 раза по сравнению
с фоновыми значениями. Величина свободного набухания облученных глин позволяет
отнести эти глины к сильно набухающим разностям. Длительное воздействие
радиации негативно отразилась также на параметрах прочности и деформационной
способности глин: величина сцепления снизилась в 2-7 раз, а модуля общей
деформации √ в 3 раза.
Поскольку прочность и деформационная способность определяет устойчивость этих пород в подземных выработках, то их снижение необходимо учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных хранилищ РАО.
Особое внимание при создании и эксплуатации хранилищ НАО
необходимо уделить интенсификации микробной деятельности во вмещающей толще
пород.
Исследования микробиологической активности в основании
хвостохранилища НАО проводились с использованием биохимического метода
Бредфорда, позволяющего получить содержание суммарного микробного белка
(СБ) в синих глинах. В зависимости от глубины отбора пробы величина СБ
изменялась от 465,0 мкг/г в верхних частях разреза до 104,1 мкг/г в нижних
зонах на глубине 18-20 м.
Кроме того, была пробурена специальная фоновая скважина вне зоны действия радиации, в которой величины СБ оказались значительно ниже (от 123,7 до 73,3 мкг/г).Однако, следует отметить, что в фоновой скважине содержание СБ связано в активным загрязнением подземного пространства территории размещения скважины за счет утечек из канализационных систем, приповерхностного захоронения хозяйственно-бытовых отходов и др., что приводит к росту бактериальной массы при увеличении численности микроорганизмов, их привноса в породу со стоками и увеличения количества продуктов их метаболизма. В пределах Санкт-Петербургского региона в экологически чистых районах значения СБ в синих глинах варьирует в пределах от 10 до 30-35 мкг/г породы.
Активизацию микробиологических процессов в зонах хранилищ
НАО необходимо учитывать как негативный фактор, который будет способствовать
снижению прочности и деформационной способности пород, а также повышать
уровень биохимической коррозии подземной среды с последующим разрушением
защитных барьеров в хранилище.
Соответственно приведенные выше инженерно-геологические
и геоэкологические аспекты необходимо учитывать при проектировании подземных
хранилищ радиоактивных отходов в нижнекембрийских синих глинах.
Литература
1. Кривохатский А.С., Дубровин В.С., Рогозин Ю.М. и др. О возможности создания хранилища радиоактивных отходов в залежах глин в Ленинградской области //Использование подземного пространства страны для повышения безопасности ядерной энергетики, Апатиты, 1995.