Защитные свойства подстилающих пород хвостохранилища КГРК
При прогнозировании миграции урана в подземных водах особое значение имеет объективная оценка защитных свойств геологической среды, обуславливающих противодействия распространению изотопа в подземной гидролитосфере.
Прогнозирование миграции радионуклидов методами математического анализа функциональной зависимости коэффициент перехода - свойства почвы предполагает знание комплексной оценки свойств почвы (КОСП), которая должна одновременно отражать свойства твердой и жидкой фаз – почвенно-поглотительного комплекса (ППК) и почвенного раствора, обуславливающих поведение радионуклида в почвенной системе. Методология нахождения КОСП позволяет использовать непрерывную цифровую шкалу свойств почвы в картографии, определять значения отображаемой характеристики в любой точке методом интерполяции и использовать их для дальнейших анализов и оценок. К сожалению, вычисление КОСП теоретически вряд ли возможно из-за многофакторности свойств фаз почвы и межфазных образований.
Практически для вычисления КОСП используют экспериментально определяемые характеристики, такие как, например, коэффициент распределения радионуклида Кd в системе почва-раствор, считая сорбцию основным процессом распределения ионов радионуклида между твердой и жидкой фазами почвы. Однако, распределение радионуклидов между твердой и жидкой фазами почвы определяется не только особенностью почвенно-поглотительного комплекса, но и свойствами ионов, прежде всего массой, зарядом и степенью его гидратации или сольватации, влияющих на выбор места сорбции и степень сродства иона к нему. Стоит отметить, что поглощение радионуклидов в условиях низких концентраций адсорбируемого вещества протекает специфически.
Радионуклиды попадают в почвогрунты, как правило, в микроколичествах. При этом, растворенная их часть, подвергаясь сорбции, в процессе поглощения не конкурирует за место на поверхности адсорбента с любой другой частью таких же ионов и молекул. Поэтому, даже в почве с самой низкой емкостью поглощения достаточно свободных мест для поглощения радионуклида.
Представим водовмещающие породы ХВХ как среду геохимической и биогенной миграции урана в качестве природного тела, органически объединяющего три фазы: твердую – минеральный скелет, жидкую – почвенный раствор и промежуточную квазикристаллическую или квазижидкую – органическое вещество – комплексы органического вещества с минеральным каркасом, мицеллы и др. (рис. 32). В трехфазной системе свойства каждой из фаз могут существенно отличаться от их основных свойств в одно – или двухфазном состояниях, а взаимное влияние фаз особенно сильно появляется на границах раздела и в зоне их влияния – двойной электрический слой, пространственная организация молекул вблизи и на поверхности минерального скелета и т.п.
Рис.32. Модель геохимической и биогенной миграции урана.
Очевидно, наиболее важной характеристикой твердой фазы следует признать емкость поглощения, которую характеризуют качественные показатели – степень насыщения основаниями, сумма поглощенных оснований и парциальное содержание отдельных катионов, особенно обменно-поглощенных.
Реакцию почвенного раствора рН можно рассматривать в качестве второго важного показателя поведения радионуклидов в почво-грунте ХВХ. Концентрация и состав почвенного раствора в значительной мере определяют интенсивность потока катионов макро- и микрокомпонентов между жидкой и твердой фазами.
Содержание органического вещества обуславливает такие важнейшие свойства водовмещающих пород района ХВХ, как структура, степень развития общей сорбирующей поверхности, содержание и свойства коллоидных фракций, способность к специфической сорбции и образованию труднорастворимых или слабодиссоциирующих комплексных соединений. При этом, следует отметить качественную неоднородность сорбционных мест, связанных как с органическим веществом, так и с минеральным каркасом.
В реальной обстановке ХВХ уран может находиться в форме анион-, катионкомплексных соединений и нейтральных псевдоколлоидов и коллоидов, механизм миграции и сорбции которых разнообразен.
Соотношение между указанными формами урана будут определяться гидрохимическими свойствами пульповых вод, концентрацией урана, окислительно-восстановительными условиями и другими природными факторами. Формы нахождения урана и их соотношения в этих водах еще недостаточно изучены. При этом, увеличение времени взаимодействия урана с вмещающими породами способствует уменьшению содержания мобильных форм радионуклида за счет упорядочения оксигидратных пленок, на которых он фиксируется.
Наконец, в естественных условиях ХВХ КГРК наблюдается образование малорастворимых в водных растворах соединений типа водонатов (карнотит), фосфатов (отинит), арсенатов (цейнерит), карбонатов (ураноталит), силикатов (склововскит) и т.д. С медью, свинцом, алюминием, железом , марганцем, висмутом, ртутью, кобальтом, цинком и бериллием уран, в силу своей большой химической активности, образует интерметаллические соединения.
Оценка степени влияния производственной деятельности ГМЗ КГРК на загрязнение подземных вод проводится путем систематического контроля по режимной сети, включающей 160 гидрогеологических скважин (в т.ч. 124 – эксплуатационных и 36 – наблюдательных).
Система мониторинга подземных вод, начатая в 1963 г. и продолжающаяся по настоящее время, включает:
- гидрогеологические наблюдения за уровнями подземных вод и их химическим и радионуклидным составом;
- гидрогеологические наблюдения за дебитами эксплуатационных скважин и скважин водоперехвата, качеством откачиваемой воды.
Специалистами КГРК совместно с сотрудниками Кыргызской комплексной гидрогеологической экспедиции выполнен большой объем комплексных геолого-геофизических, гидрогеологических и гидрогеохимических работ с применением современных методов исследований (исследование подземных вод с использованием паркерной системы, гидрохимический картаж скважин, петрографические исследования загрязненных водовмещающих пород и др.). Проведенные работы помогли с достаточной степенью достоверности охарактеризовать геологические, структурно-тектонические и гидрогеологические условия, определяющие миграцию урана в подземных водах рассматриваемого региона, оценить масштаб, структуру и состав загрязнения подземных вод и проследить изменения его по времени.
Коллекторы подземных вод района весьма разнообразны и изменяются в широком диапазоне как в плане, так и по глубине. На площади, занимаемой ХВХ, в разрезе зоны аэрации и водоносных пород преобладают чередующиеся между собой галечники от мелких до крупных с песчано-гравийным заполнителем. Мощность прослоев заполнителя изменяется от 2 до 27 метров. Галечники имеют большую водопроницаемость (коэффициент фильтрации достигает 150 м/сут). По всей площади участка, занимаемого ХВХ, галечные отложения перекрываются маломощным (до 1 метра) чехлом суглинков с коэффициентом фильтрации от 0,09 до 0,2 м/сут в радиусе 1 км от хвостохранилища. Данные химического, гранулометрического состава, а также определений пластичности приведены в таблицах 9-11.
Таблица 9
Результаты химического анализа глинистого сырья ХВХ
|
№п.п |
Наименование исследуемого компонента |
Содержание компонента, % |
|
1 |
Диоксид кремния |
52,49 |
|
2 |
Оксид алюминия |
12,89 |
|
3 |
Оксид титана |
0,13 |
|
4 |
Оксид железа (III) |
4,62 |
|
5 |
Оксид железа (II) |
- |
|
6 |
Оксид кальция |
10,86 |
|
7 |
Оксид магния |
2,87 |
|
8 |
Серный ангидрид |
0,39 |
|
9 |
Сумма оксидов натрия и калия |
3,72 |
|
10 |
Оксид калия |
- |
|
11 |
Оксид натрия |
- |
|
12 |
Потери при прокаливании |
11,88 |
|
13 |
Сумма |
99,85 |
|
14 |
Водорастворимые соли |
1,37 |
Результаты гранулометрического состава глинистого сырья ХВХ
|
Содержание крупнозернистых включений, % |
Содержание тонкодисперсных фракций, % |
|||||||||
|
5 |
3 |
2 |
1 |
0,5 |
Сумма всех включ. |
Более 0,06 |
0,06-0,01 |
0,01 |
0,005 |
0,001 |
|
нет |
0,08 |
0,11 |
0,30 |
0,22 |
0,71 |
2,71 |
38,49 |
16,57 |
19,54 |
21,98 |
|
В составе крупнозернистых включений (их сумма – 0,71) содержание карбонатных – 0,1 %, размер карбонатных менее |
Результаты определения пластичности глинистого сырья ХВХ
|
Нижняя граница текучести, % |
Граница раскатывания, % |
Число пластичности |
|
22,82 |
18,15 |
4,67 |
Породы, слагающие район ХВХ КГРК, характеризуются интенсивной, но неравномерной тектонической нарушенностью как в плане, так и в разрезе. Преобладающим типом разрывных нарушений являются линейные зоны рассланцевания и повышенной трещиноватости соскладчатого заложения. В этих зонах отмечено интенсивное развитие гипергенных глинистых изменений с образованием гидрослюд, каолинита, монтмориллонита.
Природные грунты и горные породы района ГМЗ КГРК способны сорбировать, как правило, вещества, находящиеся в растворах в катионной форме (табл.12).
Таблица 12
Емкость обмена (поглощения) глинистых минералов и гумуса при рН=7
|
Адсорбент |
Ёмкость обмена, ммоль/100г |
|
|
Катионного |
Анионного |
|
|
Каолинит Иллит Монтмориллонит Хлорит Гумус Суглинок ХВХ КГРК по отношению к урану почвенного раствора |
3-15 10-50 80-150 10-50 100-500 1,3÷1,5 |
5-10 - 20-30 - 0,01÷0,02- |
Выветренные и трещиноватые вулканиты, слагающие водоносный горизонт рассматриваемой территории ХВХ КГРК ниже суглинка, также способны осаждать мигрирующий в потоке подземных вод уран. Его задержка может осуществляться вторичными сорбционноемкими минералами (гидроксидами и оксидами железа, марганца, титана, слоистыми алюмосиликатами и другими гипергенными минералами, а также сульфат-редуцирующими бактериями, способными создавать локальные восстановительные условия для осаждения четырехвалентного урана), которые образовались на поверхностях трещин, являющихся путями транспорта загрязненных подземных вод.
В условиях гипергенеза наиболее общими количественными показателями гидрогеохимической обстановки являются значения ее рН и Еh. Сопоставление результатов измерений (Еh-рН) стационарного равновесия водного раствора с водовмещающими породами и полей устойчивости оксидов урана позволяет полагать, что в дренирующих породах, не затронутых окислительными процессами, уран может встретить неблагоприятную для его миграции обстановку (рис.33).
Рис. 33. Eh-Ph – диаграмма полей устойчивости различных окислов урана и солей преобладания комплексных соединений урана в почвенном растворе ХВХ КГРК.
Таким образом, невыветренные трещиноватые вулканиты, слагающие зону катогенеза района ХВХ КГРК, способны осаждать мигрирующий с промстоком уран в форме соответствующих оксидов. В целом же водоносный гравийно-песчаный горизонт района ХВХ КГРК обладает низкой задерживающей способностью к урану, который в реальных условиях исследуемой геомиграционной обстановки способен к выносу за его пределы в подземные воды.
Согласно выше изложенному было принято (для расчета математической модели), что главными факторами миграции урана в подземные воды ХВХ являются конвективный перенос, плотностная конвекция и диффузия. При этом миграции урана будет сопутствовать его рассеяние, обусловленное фильтрационной дисперсией, а также физико-химическим взаимодействием с водовмещающими породами.
С самого начала разработка математической геомиграционной модели урана велась одновременно по двум направлениям. Первое направление – математическое описание явления и разработка программного обеспечения для моделирования, второе – собственно построение моделей. Второе направление включает обеспечение модели необходимыми исходными данными, калибровку и валидацию моделей, выполнение прогнозных расчетов. Достаточный уровень исходной информации позволяет при всех известных объективных погрешностях и неопределенностях исходных данных надеяться на возможность построения модели, адекватной природным условиям.
