Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика исследования трития в подземных водах четвертичных отложений Балтийских возвышенностей

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Методика исследования трития в подземных водах четвертичных отложений Балтийских возвышенностей"

МИНИСТЕРСТВО. ГЕОЛОГИИ СССР Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

На правах рукописи УДК 556.314.611.02(474): [621.039.33.2+543.52]

ПЕТРОШЮС Римантас Игнович

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИТИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ БАЛТИЙСКИХ ВОЗВЫШЕННОСТЕЙ

Специальность 04.00.06. Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Литовском научно-исследовательском геологоразведочном институте (ЛитНИГРИ).

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор В.И.Иодказис.

Научный консультант - кандидат технических наук Е.Е.Банис.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.И.Ферронский;

кандидат геолого-минералогических наук Г.Б.Селецкий.

Ведущее предприятие - Институт геологии Эстонской ССР.

Защита диссертации состоится * " Сег-ц¿¿(/^¿С 1990 г. в УО ч. на заседании специализированного ученого совета К.071.II.01 по присуждение ученой степени кандидата технических наук при Всесопзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) по адресу: 142452, Московская обл., Ногинский р-н, пос. Зеленый, ВСЕГИНГЕО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСЕГИНГЕО.

Просим Вас принять участие в работе спецсовета или направить Ваши отзывы в 2-х экз., заверенные подписями.и печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря спецсовета.

Автореферат разослан " ¿0 " а^лдсГл 1990 г-

Ученый секретарь специализированного совета, канд.геол.-мин. неук Цми

И.Ы.Цыпяна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тритий ¡^редственно входит в молекулу воды. В связи с этим он является хорошим природным индикатором для прослеживания пути фильтрации подземных вод. Использование данных о распределении трития в поверхностных и подземных водах дает возможность определить ряд важных гидрогеологических параметров как истинную скорость движения подземных вод, темпов водообмена водоносных систем и другие показатели, которые необходимы при прогнозировании динамики загрязнений подземных вод техногенными компонентами, в том числе - реакторными радионуклидами.

Тритий - сравнительно короткоживущий радионуклид. Период его полураспада 12,43 года. Поэтому эффективное его использование как индикатора возможно в верхней части подземной гидросферы. - в зоне активного водообмена. В пределах Прибалтийского артезианского бассейна эта зона представлена многослойной толщей четвертичных отложоний, литологически неоднородной в плане и разрезе. Особенно указанные условия характерны для региона Балтийских возвышенностей, в пределах которого расположена и эксплуатируется Игналинская АЭС. В связи с этим возникает проблема оценки защищенности подземных вод многослойной и сложно построенной четвертичной толщи от техногенного загрязнения.

Цельп работы является усовершенствование методов лабораторного определения трития и разработка методики интерпретации экспериментальных данных в сложных гидрогеологических условиях. Работа выполнена на примере многослойной водоносной четвертичной толщи, залегащей в пределах Балтийских возвышенностей (восточная часть Прибалтийского артезианского бассейна).

Задачи исследований.

- усовершенствование методов обогащения трития;

- оценка погрешностей лабораторного определения трития в природных водах;

- выявление особенностей распределения трития в подземных водах весьма неоднородных по составу и строению четвертичных ледниковых и подстилающих их верхне-среднедевонских отложений;

- разработка методики интерпретации результатов определения трития для -решения специальных гидрогеологических аадач, связан-

ных прежде всего с охраной подземных вод.

Методика исследований включала: сбор, обобщение и анализ результатов предыдущих исследований по природе трития окружающей среды, закономерностей формирования его концентраций в разных сферах Земли, методике определения концентрации и использования трития в гидрогеологии; усовершенствование методики определения трития в природных водах; проведение региональных иссле-. дований трития в комплексе с радиоуглеродом, гелием и гидрохимическими макрокомпонентами в районе Игналинской АЭС и в пределах контрольной площади - бассейне реки Виринта; отбор проб воды —-------(около 340) и лабораторное обогащение трития; обработку и интерпретацию изотопных данных на основе комплексной геолого-гидрогеологической информации об исследуемых объектах.

Научная новизна работы состоит: ______

- в усовершенствовании конструкции аппаратуры обогащения трития электролизным методом, позволяющим уменьшить погрешность фактора обогащения и сократить затраты времени на аналитические операции;

- разработке нового способа формирования катодной поверхности элек*ролизера, позволяющего сократить время подготовки его к работе;

- разработке и опробовании эффективности пробоотборника атмосферной влаги;

- установлении корреляционных зависимостей между концентрациями трития в подземных водах с радиоуглеродом и гелием в р-не Игналинской АЭС и бассейне р. Виринта, позволяющих судить о гйд-рогеодинамических процессах, происходящих в изучаемой многослойной толще четвертичных и верхне-среднедевонских отложений;

- выполнении расчетов темпов водообмена в многослойной четвертичной толще исследуемых районов и оценке скорости перетека-ни через слабопроницаемые.породы.

Практическое значение работы определяется ее. техническими и гидрогеологическими разработками. Усовершенствованные методики обогащения трития внедрены в изотопной лаборатории ЛитНИГШ. Это позволило повысить производительность лабораторных исследований на 30 % и получить годовой экономический эффект в размере 10 тыс.р. Подучена'дополнительная гидрогеологическая информация,

необходимая для оценки ».прогнозирования возможности загрязнения подземных вод техногенными радионуклидами.

Реализация работы. Результаты исследований в целом реализованы при подготовке научно-исследовательских отчетов ЛитНИГРИ, связанных с изучением радиогеохимической обстановки в районе Игналинской АЭС (1986 г.) и' разработкой моделей процессов миграции подземных вод зоны активного водообмена этого района на основе изотопных исследований (1989 г.). Методика интерпретации результатов изотопных исследований трития использована при изучении качества поверхностных и подземных вод в зоне влияния атомных электростанций с целью оценки долгосрочных последствий возможных загрязнений, а также выработки эффективных мероприятий по защите водных ресурсов.

Апробация работа» Основные результаты работы доложены автором на УН научной конференции геологов Литвы (Вильнюс, 1985 г.), Изотопном коллоквиуме (Фрайберг, ГДР, 1985 г.), УН научном семинаре "Изотопно-геохимические исследования в Прибалтике и Белоруссии" (Таллинн, 1987 г.), и III Всесоюзных симпозиумах "Изотопы в гидросфере" (Каменец-Подольский, 1985 г., Каунас, 1989г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 работ (6 из которых написаны в соавторстве).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, . 4 глав и заключения. Она изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 49 рис., II табл. и одно табличное приложение. Список литературы включает 107 наименований.

Автор признателен научноцу руководителю д-ру геол.-мин. наук проф. В.И.Иодказису и научному консультанту каед.техн. наук Ю.Ю.Банису. За научно-техническую помощь и ценные советы автор искренне благодарен Н.В.Пятницкому, кавд.геол.-мин. наук А.Е. Ткаченко (ВСЕГИНГЕО), канд.хим. наук В.А.Барнову (И-нт физики АН Груз.ССР), каед.техн. наук В.В.Ромайову (ИШ АН СССР), П.А. Ширвайтису (И-нт физики АН Литовской Республики), всем сотрудникам изотопной лаборатории ЛитНИГРИ. Автор особенно признателен канд.хим. наук В.А.Полякову (ВСЕГИНГЕО) за всестороннюю помоць.

СОДЕРЕАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор основных направлений использования трития окружающей среды в гидрогеологии, освящены вопросы происхождения трития и закономерности его динамики в атмосфере и гидросфере.

Практическое использование природного трития началось с 1957 года, когда были разработаны основные положения метода датирования по тритию (Ведетап , Libby , 1957). Большой импульс для ис--------следования трития дали мощные техногенные инжекции этого радионуклида в атмосферу во время проведения термоядерных испытаний с 1954 по 1963 гг. Уже в ранних исследованиях, проводимых в США (Buttlar , 1958), с помощью трития устанавливалось скорость-движения подземных вод, срок истощения их запасов и др. Для решения~ более"сложных задач стали применяться комплексные исследования трития с другими радиоактивными и стабильными изотопами (дейтерием, кислородом-18, углеродом-13, углеродом-14 и др.).

В развитие изотопных методов и применение их в гидрологии и гидрогеологии внесли большой вклад ученые из зарубежных стран -В.Либби, А.Бейнбридж, Г.Буттлер, М.Гэй, Г.Крейг, К.Мюнних, Б.Пейн, А.Полах, В.Ройтер, Л.Татчер, П.Теодорсон, Т.Флорковски, И.Фогель, Е.Эриксон, а также советские исследователи - В.И.Фер-ронский, Ю.Ю.Банис, В.А.Барнов, В.С.Брезгунов, Г.И.Буачидзе, P.A. Вайкмяэ, В.Т.Дубинчук, А.Д.Есиков, Б.В.Карасев, . Х.А.Кшсичев, И,К.Морковкина, В.А.Поляков, Я.-М.Пуннинг, В.В.Романов, Ю.Б.Се-лецкий, Э.В.Соботович, В.П.Сойфер, П.И.Чалов и многие другие.

Основными гидрогеологическими задачами, решаемыми с применением трития (одного и с другими изотопами), явлщгея определение времени пребывания воды в гидрогеологических систем" (ITC); установление скоростей и направлений движения подземных потоков; изучение их перетекания и смешения; изучение питания, транзита и. разгрузки подземных вод и др.

Для того чтобы воспользоваться тритием при.изучении гидросферы, необходимо учесть его происхождение, а также закономерности формирования его концентраций в атмосферных осадках, поверхностных водах и атмосферном водяном паре. Тритий, встречаемый, в окружающей среде, бывает двоякого происхождения: естественного

(космогенного) и искусственного (техногенного). Атомы трития вместе с молекулами воды активно участвуют в природном круговороте. С 1954 г. по настоящее время главный вес в мировом балансе составляет техногенный тритий. Кроме остатков термоедерного трития в окружающую среду постоянно поступает тритий с предприятий ядерной энергетики.

Распределение трития (3Н) в природных сферах обладает рядом закономерностей: I) повышение его концентраций над континентами по сравнению с океаном (континентальный эффект); 2) сезонная цикличность - максимум концентрации в осадках обычно достигается в весенне-летнем периоде; 3) влияние географического, положения пункта исследования и др. Непостоянство концентрации трития в пространстве и во времени значительно затрудняет применение его в качестве гидрогеологического индикатора. Абсолютное датирование вод по тритию практически невозможно, а основой для решения гидрогеологических задач является исследование "изотопных меток" движущихся с водой атмосферного происхождения в подземной гидросфере. Необходимым условием для таких исследований является накопление многолетних данных о концентрациях трития в атмосферных осадках для данного региона, а также и в глобальном масштабе.

Формирование концентраций % в подземных водах зависит от множества факторов. Существенное влияние при процессе инфильтрации трития с. атмосферными осадками оказывают климатические условия, состав почвенного покрова, литология и фильтрационные свойства зоны аэрации и др. Снижение концентрации % после инфильтрации его в подземную.гидросферу обуславливается радиоактивным распадом, процессами диффузии, гидродинамической дисперсии, смешения вод разного генезиса.

При решении многих гидрогеологических- задач часто определяется один из самых важных показателей гидрогеологических систем' (ГТС) г среднее время пребывания (время водообмена) воды в системе ( Тп). Оно выражается каж Tn= V/q. = X/v , где V- овьем ITC; % - годовое питание; х - линейный размер ГГС; v - скорость 'движения воды. Для.определения Тп по тритию (и другим изотопам) применяется несколько моделей движения врды в ГГС. Наиболее- часто .рессматриваются модели, разработанные А.Ниром (Nir,, 1964), соответствующие двум основным классам ГГС: системе порщЧ

невого вытеснения (СПВ) и системе полного перемешивания (СШ). Другие модели (дисперсионная, диффузионная и др.) из-за сложности определения исходных параметров ГГС применяются реже.

Во второй главе рассмотрена методика определения низких концентраций трития в природных водах, а также изложены методические и технические разработки по ее усовершенствованию.

Для успешной гидрогеологической интерпретации данных о концентрациях % в подземных водах большое значение имеет точность методов измерения трития. Определение этого радионуклида в природных водах связано с большими техническими трудностями, возникающими из-за очень малой активности Ки) и малой —-—энергии радиоактивного бета-распада (в среднем 5,7 кэВ). Наиболее чувствительным и удобным методом измерения трития в настоящее • время является жидкостно-сцинтилляционная радиометрия, достигшая на сегодняшний день очень высокого технического уровня. Однако прямое радиометрирование проб воды, в которых концентрация % не—— достигает 10 ТЕ (тритиевых единиц), практически невозможно без применения специальных методов концентрирования (обогащения) трития.

Из существующих методов обогащения в мировой практике наиболее широко применяется электролизный, предложенный С.Кауфманом и В.Либби. Сущность данного метода заключается в разложении водных электролитов (обычно щелочных) постоянным электрическим током, вследствие чего большая часть воды разлагается на и 0^, а в оставшейся части электролита концентрируется тритий. Количественно этот процесс оценивается фактором изотопного разделения уь , который выражается через

« _ (Т/Н)хилк цу

(Т/И) газ

Соотношение между конечной (Ск) и концентрацией % в начале электролиза (С0) назывется-фактором обогащения трития и определяется по форцуле Релея (Бродский', 1957)

где %, V*' - начальный и конечный объемы пробы вода.

Для получения достаточно высоких значений фактора Н при-

меняются специальные электролизеры разных конструкций. Современные электролизеры обогащения трития должны соответствовать определенным техническим требованиям, позволяющим обеспечить максимальное сокращение объема образца воды с высоким значением р ; электрохимическую стабильность во избежании коррозии электродов; минимальные затраты рабочёго времени при обогащении и др. Одна из наиболее соответствующих указанным требованиям конструкция была предложена И.Камеруном и В.Пейном (.Cameron, Payne , 1966), которая до настоящего времени совершенствуется другими авторами. Одной из самых простых и удобных для пользования ее модификаций является коаксиальная конструкция, разработанная во ВСЕГИНГЕО (Пятницкий, Поляков, 1983).

В изотопной лаборатории ЛитНИГРИ с целью исследования трития в подземных водах в 1983 г. была внедрена методика электролизного обогащения трития, используемая во ВСЕГИНГЕО. Скомплек-тироранная автором электролизная установка состоит из следующих основных узлов: I) блока из 10 последовательно соединенных электролизных ячеек, изготовленных из нержавеющей стали, сообразно1 с конструкцией ВСЕГИНГЕО; 2) устройства питания постоянным элек- . трическим током; . 3) холодильника-термостата для обеспечения требуемого температурного режима электролиза; 4) блока управления и автоматики; 5) вспомогательного оборудования. Действующая в настоящее время установка существенно усовершенствована и отличается от первичного варианта рядом конструктивных изменений, внесенных в отдельные ее узлы.

. Автором была изменена конструкция анодного цилиндра электролизера. В первичном варианте после электролиза оставшийся электролит извлекался из электролизера специальной длинной пипеткой. Однако при этом возникала проблема точности определения конечного объема образца воды, так как заметная часть (около 10 % по объему) концентрированного (концентрация NaOH до 50 % по ыассо) вязкого электролита оставалась прилипшей к стенкам электролизера и пипетки. В конструктивном варианте автора нижняя часть (стакан) анодного цилиндра разборная. Она может быть легко отсоединена от основной части. После окончания электролиза (сокращения объема электролита от 500 до 10 мл) стакан снимается вместе с остатком электролита, взвешивается для определения количества оставшегося

образца и присоединяется к перегоночному аппарату для регенерации образца воды. В результате конструктивного усовершенствования потери пробы сведены до минимума.

С целью максимально уменьшить потери образца из-за испарения в электролизерах температура должна поддерживаться ниже Ю°С. Для этого автором впервые применен способ воздушного охлаждения, который имеет значительные преимущества по сравнению с ранее используемым водяным охлаждением - он более удобный и надежный при эксплуатации. В качестве холодильника-термостата после небольших конструктивных изменений автором была использована низкотемпёра-—— турная компрессорная установка ПХН-1-0.4М.

Электрическая^схема блока питания и управления дополнена электронным стабилизатором напряжения и узлами автоматики, обеспечивающими стабильный режим напряжения, тока и температуры. В

случае аварии системы обеспечено предохранение обогащаемых проб----------

от порчи.

Концентрирование трития проводится по специально заданному режиму электрического напряжения и тока, обеспечивающему достаточно высокий и стабильный фактор обогащения ( 2. ). Предусмотрено автоматическое защитное устройство, предотвращающее порчу рабочих поверхностей катодов электролизеров в случае внезапного выключения напряжения в сети электропитания. В момент исчезновения питающего напряжения автоматически подключается к электролизерам напряжение из батареи щелочных аккумуляторов. Величина этого напряжения подобрана минимальной для того, чтобы создать потенциал, блокирующий саморазряд электролизеров (идея создания такого устройства была предложена В.А.Поляковым и Н.В.Пятницким).

Суммарное время обогащения 10 проб воды, включая их подготовку, регенерацию, профилактический уход системы, занимает около 15 рабочих дней.

Автором разработан метод ускоренного формирования активного каталитического налета-на поверхности катода электролизера, способствующего изотопное разделение. Для этого был применен способ нанесения специального никелиевого покрытия (Шаполене и др., 1990), отличающегося повышенной пористостью и способностью адсорбировать атомы трития. Применяя предложенный автором способ, удалось сократить время; затрачиваемое на подготовку ка-

тодов электролизеров к работе почти до часа. Отметим, что наращивание каталитического слоя обычным способом длилось около 1000 часов, только тогда достигалось достаточно высокое значение фан-тора разделения трития р =124-15.

С целью накопления данных о "входных" концентрациях трития, автором постоянно проводились исследования атмосферных осадков и влаги. Образцы атмосферного пара отбирались на Вильнюсской телебашне (на высоте 160 м от поверхности земли) и на других местах. Для этой цели сконструирован и опробован многоступенчатый пробоотборник, в котором впервые использован адсорбент С&С^2> способный укоротить время поглощения количества влаги, необходимого для анализа трития.

Ввиду отсутствия в ЛитНИГРИ подходящей для этой цели аппаратуры радиометрическое измерение активности обогащенных водных проб трития проводилось в лабораториях ВСЕГИНГЕО, ИВП АН СССР (Москва), ИФ АН Груз.ССР (Тбилиси) и ИФ АН Литовской Республики (Вильнюс).

При определении концентрации трития в природных водах необходимо точнг оценить погрешности измерения. Концентрация трития в подземных водах зачастую составляет лишь несколько тритиевых единиц (ТЕ) или близка к нулевой. Поэтому погрешности являются того же порядка, как и измеряемая величина. Из ряда ошибок, возникающих на разных стадиях обработки тритиевых проб воды, (отбор, обогащение, радиометрирование, калибровка), следует оценить те, которые имеют значительный вклад на конечную погрешность определения концентрации трития. В многих работах обычно учитывается только радиометрическая ошибка (счёта образца и фона, эффективности счета). Однако необходимо учесть и ошибку обогащения, которая по абсолютному значению нередко превышает радиометрическую. В связи с этим автором разработана методика и выполнена; аналити--ческая оценка вклада различных видов погрешностей в конечный результат лабораторного определения концентрации трития.

Ошибка обогащения 6>Н" является функцией от ошибки фактор«» редукции объема .( К = \4/\/ц) и параметра обогащения £ГоС ( ос. )4 Поскольку Л = К*, средняя квадратичная ошибка%

62 может быть выражена через

•БЯ = 1+ ^(Vo/VJб-oc]. (3)

Ошибка возникает при определении конечного объема пробы воды после электролиза. С целью ее определения автором была проведена серия опытов с последующей статистической обработкой результатов и выявлено, что случайная среднеквадратичная ошибка 6УК- - 0,2*0,7 мл при значениях \/к =1448 мл.

Ошибка бос определялась из периодичных контрольных измерений параметра ос обогащением стандартной тритиевой воды и одинакового образца одновременно на всех электролизерах. Оказалось, —_ что при среднем значении ос. =0,91 среднеквадратичная ошибка 5Ъс =

~ ± 0,017.—--------------------

Общая абсолютная погрешность концентрации трития С определялась как суммарная от ошибок обогащения и радиометрирования

о

где С - концентрация Н, ТЕ; п4, пф - счет образца и фона, соответственно, имп/мин; Ь - время радиометрирования, мин; Е - эффективность счета.

Для иллюстрации соотношения общей абсолютной погрешности с отдельными ее составляющими (ошибками обогащения и радиометрирования) в таблице приведены некоторые результаты определения концентрации трития в пробах подземных вод. Приведенные данные сви-

Таблица

Погрешности лабораторного определения трития в природных

водах

Но- Концен- Общая абсолютная Абсолютная ошиб- Абсолютная ошиб-мера трация ошибка .определе- ка обогащения ка радирметриро-проб трития ния концентрации 6Z , ТЕ вания ТЕ

С; ТЕ трития о С, ТЕ ' Рад

443 29,8 ± 5,0 ¿'3,9 ± 3,2

477 133 ± 16,8 ' - 15,6 ¿6,3

550 6,4 ± 3,7 • ± 0,8 ± 3,6

600 ■ 1.6 ±.х,'т ± 0,2 ±1,1

детельствутот, что вклад .ошибки обогащения растет с увеличением определяемой концентрации трития. Можно сделать вывод, что при концентрациях в измеряемых пробах выше 804-100 ТЕ (обычно в поверхностных водах) обогащение не дает положительного эффекта и является нецелесообразным. Однако обогащение остается необходимым во всех случаях при исследовании подземных вод, концентрация трития в которых составляет 0*60 ТЕ. Сочетание жидкостйо-сцинтил-ляционного метода радиометрирования с электролизным обогащением позволяет достичь чувствительность измерения до I ТЕ и ниже, что вполне удовлетворяет требования многих решаемых гидрогеологических задач. - ~

В третьей главе рассматриваются закономерности распределения трития в поверхностных и подземных водах в двух районах Балтийских возвышенностей: Игналинской АХ и бассейна р. Виринта. 06ai они расположены на северо-востоке Литвы. С целью использования данных о концентрациях в подземных водах для решения конкретных гидрогеологических задач были проведены региональные изотопные и гидрогеохимические исследования.

Изучаемые участки находятся в области неоднократного континентального оледнения в зоне мощного и многослойного покрова ледниковых отложений. В 30-километровой санитарной зоне Игналинской АХ возникла необходимость изучить фоновое содержание трития и радиоуглерода, а в последующем вести наблюдения за их изменением. Одновременно был выбран и контрольный участок - бассейн р. Виринта, аналогичный по гидрогеологическим условиям, но не входящий в зону влияния АХ. Толща четвертичных отложений здесь состоит из переслаивающихся слабопроницаемых моренных суглинков и водоносных песчано-гравийных отложений, суммарная мощность которых составляет около 150-250 м и более. Многослойная толща обычно имеет сложное строение, заключающиеся в невыдержанной мощности и частом выклинивании отдельных слоев. В вертикальном разрезе зоны активного водообмена ввделяется ряд водоносных горизонтов: I) в четвертичной толще - грунтовые воды и 5 межморенных напорных водоносных горизонтов; 2) в дочетвертичной - верхне-средне-девонский терригенныН.водоносный комплекс. Ситуацию осложняют глубокие палеоврезы, часто достигающие дочетвертичные породы, а также наличие зон тектонических нарушений, особенно*в районе ИАХ (Палтанавичюс и др., 1979). Между грунтовыми и наяорными

водоносными горизонтами, взаимосвязь которых обуславливается вертикальным перетеканием воды через слабопроницаемые слои (ко=10 -10"^ м/сут, а также по зонам тектонических нарушений проявляется интенсивный водообмен. Подземные воды зоны активного водообмена широко эксплуатируются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Поэтому информация о динамике и закономерностях формирования подземных вод в рассматриваемой толще необходима для решения задач, связанных с охраной подземных вод от возможного радиоактивного и химического загрязнений.

Учитывая региональные гидрогеологические условия, для изотопно-гидрогеохимических исследований отбирались пробы из артезианских и грунтовых скважин, а также шахтных колодцев с охватом: ___- областей питания и разгрузки многослойных толщ;

- как можнсГ больше водоносных горизонтов в одной точке (местности) в вертикальном разрезе.

В районе ИАЭС наблюдательная сеть скважин расположена в пределах санитарной зоны АЭС, в бассейне р. Виринта она представляет региональный створ.

Для выявления гидрогеодинамической ситуации зоны активного водообмена прежде всего использовались данные по тритию. Кроме того, для расширения шкалы времени проводились исследования по радиоуглероду ( л!), а для индикации потока воды снизу определялась концентрация гелия (Не). Также исследовалось содержание некоторых гидрохимических компонентов (общей минерализации, НСО^, Сб" и др.). Для установления "входных" концентраций трития, с которых следует начать отсчет его миграции в подземной гидросфере, наряду с подземными также опробовались поверхностные воды и атмосферные осадки. Результаты изотопных и гидрогеохимических исследований приводятся в табличной форде, на картах для отдельных водоносных горизонтов и на региональных гидрогеологических разрезах.

Анализируя данные по тритию в приходных водах исследуемых районов, можно выявить общую.ке^тину регионального распределения этого радионуклида. Концентрация % в атмосферных осадках, поверхностных и грунтовых водах в период.1980т1990 гг. колебалась в хктерв&де 20*50 ТЕ с общей тенденцией уменьшения. Исключением яшиются только оэерогДрукшяй (бассейн-охладитель ИАЭС), в кото-

ром, после пуска двух Энергоблоков АЭС с 1985 г. концентрация трития повысилась до 1004-130 ТЕ, и теперь колеблется на этом уровне.

Распределение трития в подземных водах межморенных горизонтов имеет сложный характер. Концентрация % во всех напорных водоносных горизонтах зоны активного водообмена варьирует в пределах 04-10 ТЕ. Следует отметить, что выделение зон питания и разгрузки в этом конечно-моренном ландшафте достаточно сложное. Они имеют условный и локальный характер. В общем случае зависимость концентрации трития от гдубины залегания подземных вод, составленная для района ПАХ и бассейна р. Виринта, показывает, что концентрация ^Н снижается почти до нуля уже при глубине около 20 м. Увеличенные концентрации (до 50-60 ТЕ), встречаемые в глубже залегающих слоях, свидетельствуют о наличии литологических "окон" - мест эрозионных врезов и тектонических нарушений, через которые происходит интенсивная инфильтрация атмосферных вод.

С методической целью были составлены корреляционные зависимости % от имея ввиду, что пути попадания и миграции обоих космогенных радионуклидов аналогичны. Прямую зависимость получить удалось только в бассейне р. Виринта, где более четко выражены зоны питания и разгрузки. Для подземных вод района ИАЭС, в пределах которого установлено много тектонических нарушений, характерно повышение концентрации гелия (704-500» Ю-^ мл/л и больше). Корреляционная связь от Не имеет характер обратной зависимости, что подтверждает противоположность направлений миграции этих двух индикаторов.

Анализируя зону активного водообмена по гидрогеологическим разрезам и принимая во внимание комплекс показателей (%, Не и общий химический состав), можно выделить участки с разной степенью защищенности пресных подземных вод: слабой и относительно хорошей. Химический состав подземных вод района Игналин-ской АЭС и бассейна р. Виринта имеет'довольно изменьчивый характер. Здесь трудно проследить вертикальное изменение основных химических компонентов. Кроме того, в бассейне р. Виринта по всецу разрезу наблюдается высокое (близкое входному) содержание 14с - 50+60 % от современного стандарта углерода (ССУ). Всё это свидетельствует об интенсивной взаимосвязи всех водоносных гори-

зонтов зоны активного водообмена, вплоть до верхне-среднедевон-ского водоносного комплекса, и о слабой в целом защищенности подземных вод.

В четвертой главе изложены результаты расчетов некоторых гидрогеологических параметров с целью определения защищенности подземных вод от возможного загрязнения. По данным о концентрациях трития определено среднее время пребывания подземных вод в грунтовых и напорных водоносных горизонтах ("Гп), а также рассчитана истинная скорость перетекания воды через слабопроницаемые моренные суглинки (Хгс).

Для оценки Т„ в водоносных горизонтах зоны активного водообмена исследуемого региона применены две модели ГГС, соответс-твующиёГсистеме поршневого-вытеснения_(СПВ)1__и системе полного перемешивания (СПП). Интерпретация изотопных данных подмодели СПВ производится решением уравнения радиоактивного распада

где С(в), С0(6-£) - концентрация трития в момент опробования 0 и в момент входа в систему (6-1); Л- постоянная распада.

Для определения Т„ по модели СПП применено уравнение (Ду-бинчук и др., 1988):

где д£=1 год, п =(6-1953), г.

Для решения уравнений (5) и (6) нужно иметь набор значений входных концентраций С0, характерных для исследуемого региона для каждого года (начиная с 1953 г.). Значения С0 с 1983 г. по 1990 г. автором определялись экспериментальным путем, значения С0 до 1983 г. - путем экстраполяции литературных данных по среднеевропейской территории. По этим данным для каждого года опробования исследуемых подземных вод составлены калибровочные кривые, полученные решением (5) и (6), по которым Т„ определялось графическим способом.

Установлено, что среднее время пребывания (возраст) грунтовых вод района Игналинской АЭС и бассейна р. Виринта, определенное по моделям СПВ и СПП, изменяется в пределах ^"„»1+16 лет.

(5)

(6)

Для межморенных водоносных горизонтов минимальные значения (по СПВ) составляют 10*37 лет, максимальные (по СПП) - 200*1000 лет и больше. Эти результаты ещё раз свидетельствуют о тесной взаимосвязи между горизонтами зоны активного водообмена, а также о весьма неоднородных гидрогеодинамических условиях исследуемых регионов.

Скорость перетекания через слабопроницаемые слои определялась по методике, предложенной Е.А.Калининой. В модели, построенной для линейного в плане потока, рассматривается система из двух взаимосвязанных водоносных горизонтов, разделенных относительно* слабопроницаемым слоем. Питание горизонта происходит двумя путями: в зоне выхода водоносных пород на поверхность и перетеканием грунтовых вод через слабопроницаемые слой на всем пути движения напорных вод от области питания к области разгрузки.

При формулировке и решении задачи были приняты следующие условия: I) уровни 'грунтовых вод повсеместно выше уровней напорных; 2) коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта намного больше коэффициента фильтрации отложений слабопроницаемого слоя; 3) при относительно небольших мощностях водоносного горизонта (m=8*I0 м) поток в нем можно считать горизонтальным планово-одномерным, а перетекание через слабопроницаемый слой -вертикальным; 4) поток подземных вод является квазистационарным ( 1Гср - cons t ); 5) поступление трития в водоносный горизонт нестационарное и зависит от времени i ; б) коэффициент, диффузии трития в слабопроницаемых отложениях равняется нулю.

Формула для решения задачи получена решением дифференциальных уравнений баланса вещества, описывающих распределение концентрации трития в грунтовом и напорном водоносных горизонтах и в.слабопроницаемом слое (Калинина, 1987)

где. C(x,t) - концентрация трития в горизонте напорных вод; -интервал времени между отдельными опробованиями; т„ - мощность слабопроницаемого елоя; т - мощность водоносного горизонта; А"=0,005§. Tj - время запаздывания попадания атмосферного'

трития в водоносный горизонт через слабопроницае'мый слой;

С0(1 -Тз) - концентрация трития в атмосферных осадках в момент инфильтрации в подземные.слои. Время запаздывания ищется специальным графо-аналитическим способом, решая (7) по данным режимных наблюдений о временной изменчивости концентрации % в напорном водоносном горизонте, а также в грунтовых водах и атмосферных. осадках. При этом было сделано допущение, что концентрация трития в грунтовых водах соизмерима с его концентрацией в атмосферных осадках того же времени. Скорость перетекания определяется по гг0 = т0/Тз .

Несмотря на сложность гидрогеологических условий многослойной четвертичной толщи в пределах Балтийских возвышенностей, по данной методике представляется возможным вычислить скорость перетекания грунтовых вод через слабопроницаемый слой в первый от поверхности земли напорный водоносный горизонт. Расчеты проводились по данным нескольких скважин, пробуренных в четвертич-----

ной толще района ИАЭС и бассейна р. Виринта. Результаты, подученные по тритию 2+7-10"^ м/сут), хорошо согласуются со значениями, определенными традиционными методами м/сут) (Иодказис, Палтанавшзос, 1976).

Полученные данные по определению Т„ и Уа свидетельствуют, что применяемые на сегодняшний день теоретические модели требуют дальнейшего совершенствования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработки автора в области техники и технологии определения, а также методики исследования трития в природных водах позволяет повысить чувствительность и точность измерения.концентрации этого радионуклида, обеспечить необходимую достоверность гидрогеологической интерпретации результатов исследований. Суммируя результаты выполненной работы, представляется возможным сформулировать основные. выводы и соответствующие им защищаемые положения.

I. Усовершенствована аппаратура и методика электролизного обогащения трития, что основывается: I) на разработанной автором разборной конструкции анодного цилиндра электролизера, позволяющей повысить эффективность проведения анализа и точность опре-

деления фактора обогащения; 2) на предложенной и впервые примененной эффективной и надежной системе воздушного охлаждения электролизеров для поддерживания в них стабильного температурного режима.

2. Разработан новый способ ускоренного формирования каталитической поверхности катода электролизера, сотни раз сокращающий время получения достаточно высокого фактора изотопного разделения трития.

3. Сконструирован и опробован эффективный пробоотборник атмосферной влаги, в котором для укорочения времени поглощения впервые применен хлорид кальция.

4. Разработана методика и выполнена аналитическая оценка результатов лабораторного определения концентрации трития в исследуемых пробах природных вод с выявлением на конкретном материале. (340 образцов) вклада различных видов погрешностей в ка-нечный результат.

5. Впервые выявлены особенности распределения трития в природных водах в районах Игналинской АХ и бассейна р. Виринта с получением характерных коррел/щионных связей между концентрациями трития и содержанием радиоуглерода, а также концентрациями гелия.

6. Результаты оценки защищенности подземных вод от загрязнения, расчета их среднего времени пребывания в ГГС и определения скорости перетекания воды через слабо проницаемые слои, полученные путем гидрогеологической интерпретации данных о концентрациях трития в 340 пробах воды, исследованных автором.

Анализ результатов исследований, проведенных по использованию трития в районе ИАЭС и бассейне .р. Виринта, позволяет сделать вывод, что для более широкого внедрения тритиевого метода в практику решения гидрогеологических задач в будущем необходимо проводить исследовательские работы в следующих направлениях:

- для повышения достоверности результатов определения темпов водообмена ГГС и оценки истишюй скорости вертикального движения подземных вод через слабопроницаемые слои требуется сочетание изотопных методов с балансого-гидрогеодинамическими, охватывая при этом все водоносные горизонты и разделяющие их

слабопроницаемые слои всей зоны активного водообмена. Решение теоретических и методических задач этой проблемы возможно лишь путем проведения целенаправленных полигонных исследований;

- с целью определения истинной скорости инфильтрации атмосферных вод в подземные водоносные горизонты и изучения миграции загрязняющих веществ в зоне выбросов АЭС целесообразно провести исследования с использованием индикаторного трития как в зоне аэрации, так и в зоне насыщения.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

—г—I. -Роль-изотопных-исследований-при-изучении динамики подземных вод Прибалтики // Изотопы в гидросфере: Тез. докл. 2-го Всесовэз. симп.- М.: ВСЕГИНГЕО,- 1985.- С. 29-30 (соавторы В.И. Иодказис, Ю.Ю.Банис).

2. Исслздование содержания космогенных изотопов в подземных водах Литвы // Геологические исследования и изучение минерально-сырьевой базы Литовской ССР. Материалы УН научной конференции геологов Литвы. Вильнюс.- 1985,- С. 250-252 (соавтор Ю.Ю.Банис).

3. Техника и технология измерения концентрации трития в природных водах.- Там же.- С. 252-254 (соавтор Ю.Ю.Банис).

4. Роль изотопных исследований при изучении динамики подземных вод Прибалтики // Водные ресурсы.- 1987.- № 2.- С. 145150 (соавторы Ю.Ю.Банис, В.И.Иодказис).

5. Методические особенности интерпретации результатов региональных исследований содержания радиоуглерода в подземных вп-дах // Isotope und ihre Anwendung in den GeowisaenSchäften. in der Bergbausicherheit und im Unweit schütz! Yertr, d. internat, Isotopenkoll. 1985 in Sreiberg.- Leipzig.- 1988.- T. 2,- 0. 125128. На нем. яз. (соавторы Ю.Ю.Банис, В.И.Иодказис).

б. К вопросу повышения точности определения концентрации трития в подземных водах // Изотопы в гидросфере: Тез. докл. 3-го Всесоюз. симп.- И.: ИВП АН СССР.- 1989.- С. 252-2537. Радиогидрогеохимический мониторинг в районе ИгналинскоД АЭС,- Там же,- С. 41-42 (соавторы Ю.Ю.Банис, В.И.Иодказис, И.В. Мажейка).