Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Песчано-галечниковые отложения юрских рек Зауралья как коллекторы для безопасного подземного захоронения жидких радиоактивных отходов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Песчано-галечниковые отложения юрских рек Зауралья как коллекторы для безопасного подземного захоронения жидких радиоактивных отходов"

На правах рукописи

МЕЛЬНИКОВ АЛЕКСАНДР ЭДУАРДОВИЧ

ПЕСЧАНО-ГАЛЕЧНИКОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ ЮРСКИХ РЕК ЗАУРАЛЬЯ КАК КОЛЛЕКТОРЫ ДЛЯ БЕЗОПАСНОГО ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология (науки о Земле)»

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург - 2013

005542756

Работа выполнена на кафедре геологии и защиты в чрезвычайных ситуациях ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

доктор геолого-минералогических наук, профессор Болтыров Владимир Босхаевич Абатурова Ирина Валерьевна, доктор геолого-минералогических наук, доцент кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Рябинин Виктор Федорович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник группы гидрогеологии и геоэкологии Института геологии и геохимии УрО РАН ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Защита состоится 27 декабря 2013 года в 9-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.280.01, созданном в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30,3-й корпус, ауд. 3326.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров Анатолий Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ядерная энергетика является ведущим элементом в развитии энергетического комплекса, особенно в странах, где наблюдается дефицит топливно-энергетических ресурсов. В то же время доля ядерной энергетики, даже несмотря на трагические последствия от аварий на атомных электростанциях, неуклонно растет. Самые сдержанные прогнозы говорят о том, что в перспективе до 2030 года на планете будет построено до 600 новых энергоблоков (сейчас их насчитывается более 430).

Гораздо более опасным, с точки зрения образования и размещения отходов и их влияния на экосистемы, является производство по переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В России существует три радиохимических завода: Сибирский химический комбинат (Томск-7), Горнохимический комбинат (Красноярск-26), Производственное объединение «Маяк» (Южный Урал).

Основными источниками образования и накопления новых РАО в настоящее время являются АЭС и предприятия ЯТЦ.

В 2010 году на предприятиях, подведомственных Росатому, образовалось 3,04 млн. м3 жидких радиоактивных отходов с суммарной активностью 1,8x1018 Бк.

В поверхностные водные объекты в 2012 году предприятиями отрасли было отведено 178,91 млн.м3 сточных вод с активностью 3,33x1013 Бк.

На Урале накопились колоссальные концентрации радиоактивных отходов. К середине 1960-х гг. на ФГУП «ПО «Маяк» сформировалась система промышленных водоемов (В-2 (оз. Кызылташ), В-3, В-4, В-10, В-11 (Теченский каскад водоемов), В-6 (оз. Татыш), В-17 (Старое Болото) и В-9 (оз. Карачай), куда осуществлялся сброс средне - и низкоактивных отходов производства.

Для характеристики опасности хранения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в открытых водоемах хотелось бы представить наиболее известные и серьезные проблемы технологии обращения с ЖРО на ПО «Маяк»:

• регламентные и аварийные сбросы ЖРО радиохимического производства в реку Теча в 1949-1956 годах; для исключения сбросов ЖРО в открытую гидрографическую систему и локализации наиболее загрязненных участков поймы в 1956-1964 годах в верхней части реки был создан Теченский каскад водоемов (ТКВ);

• взрыв емкости с жидкими высокоактивными отходами радиохимического производства в 1957 году или «Кыштымская авария», следствием которой былр образование Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС);

• ветровой вынос донных отложений с обнажившихся берегов водоема В-9, использовавшегося в качестве хранилища жидких среднеактивных отходов радиохимического производства в 1967 году;

• загрязнение подземных вод от водоемов-отстойников.

Цель работы. Обеспечение радиоэкологической безопасности экосистем Урала и решение проблемы безопасного захоронения ЖРО в глубокозалегающих пористых средах как альтернатива практикующегося поверхностного накопления ЖРО в водоемах-отстойниках.

Основные задачи:

• обосновать возможность захоронения ЖРО в палеорусловых песчано-галечниковых отложениях юрских рек Зауралья;

• создать 3-0 модель участка захоронения ЖРО;

• выполнить прогноз миграции жидких радиоактивных отходов при эксплуатации полигона.

Объект исследования. Аллювиальные песчано-галечниковые и песчано-гравийные отложения палеодолины среднепозднеюрского возраста в Зауралье.

Предмет исследования. Геоэкологическое обоснование безопасности размещения ЖРО в палеорусловых отложениях юрских рек Зауралья.

Теоретическая и методологическая база исследования. В процессе работы изучались фондовые геологические материалы по территории размещения

палеорусловых отложений, проводились исследования в области подземного захоронения жидких промышленных отходов, велись полевые исследования по изучению песчано-галечниковых отложений.

Фактический материал. В основу диссертационной работы легли фондовые материалы по территории размещения палеорусел древних рек Зауралья, геофизические, гидрогеологические и геологические данные, описание керна по трем буровым профилям - Дернейскому, Грейдерному и Крутоярскому на Верхнеталицком участке Талицкой палеодолины. Основой диссертационной работы являются результаты, полученные в ходе проведения работы по Государственному контракту № 02.740.11.0493 на выполнение научно-исследовательских работ в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Методы исследования. Систематизация и обобщение изученных материалов, геологический, геофизический, гидрогеологический анализы; полевые исследования керна буровых скважин; оценка физико-механических, петрографических и других свойств палеорусловых отложений; математическое моделирование.

Научная новизна работы.

• установлена возможность использования природных палеорусловых коллекторов (песчано-галечниковые отложения юрских рек) в качестве пластов-коллекторов для безопасного размещения жидких радиоактивных отходов на территории Урала;

• разработаны критерии выбора палеодолин для безопасного, контролируемого захоронения ЖРО;

• создана компьютерная модель изучаемого участка, на основании которой решены миграционные и фильтрационные задачи.

Практическая значимость работы. Выявлен потенциальный участок для создания полигона подземного захоронения ЖРО или других опасных жидких промышленных отходов.

Личный вклад автора. Диссертант лично участвовал в сборе, анализе, интерпретации, обобщении представленных в диссертации данных, в частности:

• разработке критериев выбора участка безопасного захоронения ЖРО;

• изучении состава и строения таборинской свиты на участке безопасного размещения ЖРО;

• моделировании поведения ЖРО в пласте-коллекторе при проведении закачки через нагнетательные скважины.

Благодарности. Особую благодарность хотелось бы выразить специалистам Уральского филиала «Зеленогорскгеология» ФГУГП «Урангео» (С.И. Долбилину, A.B. Ладешцикову, Г.Ю. Попониной и др.), предоставившим возможность изучения фондового и кернового материала на базе Уральского филиала «Зеленогорскгеология» и СП «Юрская партия № 71».

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, доктору геолого-минералогических наук Болтырову В.Б. и доценту, кандидату геолого-минералогических наук Слободчикову Е.А. за помощь в постановке темы диссертации и постоянную поддержку в процессе написания работы, а также сотрудникам Северского технологического института НИЯУ МИФИ Истомину А.Д. и Кеслеру А.Г. за критические замечания при обсуждении основных положений диссертации.

Апробация работы. Основные защищаемые положения и соответствующие выводы были представлены на Международной научно-практической конференции "Уральская горная школа - регионам", Екатеринбург, 2011; II Уральском Международном экологическом конгрессе «Экологическая безопасность промышленных регионов», Пермь, 2011; X Уральской горнопромышленной декаде. Международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам», Екатеринбург, 2012; на семинарском занятии в Северском технологическом институте НИЯУ МИФИ, г. Северск.

Публикации. По теме диссертации представлено 9 научных публикаций, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 7 в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 51 наименования. Материал работы изложен на 121 странице, включая 14 таблиц и 29 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость работы, перечислены выносимые на защиту положения, представлена структура диссертации.

В первой главе представлена актуальность проблемы утилизации ЖРО в России. Определены источники и объемы накопления ЖРО на территории России и Урала. Рассмотрены основные известные и серьезные проблемы технологии обращения с ЖРО на ПО «Маяк», а также предпосылки по созданию полигона подземного захоронения на территории Урала.

Во второй главе представлена общая характеристика палеодолин Зауралья, их история открытия и геологическое строение. Представлены критерии по выбору наиболее благоприятных участков палеодолин для безопасного захоронения ЖРО.

В третьей главе приведена более подробная характеристика Верхнеталицкого участка Талицкой палеодолины как наиболее подходящего с точки зрения создания полигона подземного захоронения. Дана петрографическая и гидрогеологическая характеристика таборинского горизонта. Рассмотрена тектоническая нарушенность геологической среды и сейсмичность территории.

В четвертой главе охарактеризовано поведение ЖРО в пласте-коллекторе. Приведен состав отходов, направляемых на захоронение в глубокозалегающие горизонты. Представлена модель поведения ЖРО в пласте-коллекторе при проведении закачки через нагнетательные скважины на Верхнеталицком участке Талицкой палеодолины.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение. Палеорусловые песчано-галечниковые отложения юрских рек Зауралья, развитые в эрозионных корытообразных структурах, ограниченных с боков непроницаемыми палеозойскими породами и перекрытых региональными водоупорами, по своему петрографическому и гранулометрическому составу представляют собой коллекторы с благоприятными для размещения ЖРО гидрохимическими и гидродинамическими свойствами.

После открытия Далматовского месторождения урана (Круглов С.И., Исаков A.B., 1979 г.) Зеленогорская экспедиция (ныне - Уральский филиал «Зеленогорскгеология» ФГУГП «Урангео») приступила к выполнению в Зауралье мелко- и среднемасштабных геолого-прогнозных работ, ориентированных на выявление гидрогенного уранового оруденения в позднеюрских палеодолинах.

В результате 10-летних работ в Зауральско-Тургайском регионе была закартирована система позднеюрских палеорек и установлены основные признаки оруденения далматовского типа.

На рис. 1 приведена схематическая карта урановорудных и потенциально урановорудных районов Зауралья палеодолинного типа.

Геологическое строение территории размещения позднеюрских палеодолин Зауралья относится к так называемым «закрытым» территориям и характеризуется двухъярусным геологическим строением, обусловленным наличием практически сплошного платформенного чехла мощностью до 800 м и более, перекрывающего породы кристаллического складчатого фундамента.

Слагающие складчатый фундамент Зауралья осадочные, магматические и метаморфические образования имеют возраст от докембрия до триаса включительно и подразделяются на ряд структурно-формационных комплексов, сформировавшихся в условиях соответствующих тектонических режимов (тектоно-магматических циклов - ТМЦ).

Рисунок 1 - Схематическая карта урановорудных и потенциально урановорудных районов Зауралья (Еремеев С.П.)

Сплошной чехол мезокайнозойских осадков мощностью от 10-20 до 8001000 м, образовавшийся по завершении собственно платформенного этапа развития Зауралья, может быть разделен на два структурных яруса. Юрско-эоценовые отложения рассматриваются в качестве первого структурного яруса, который, в свою очередь, подразделяется на два подъяруса. Нижний подьярус (юрско-сеноманский) сложен континентальными, а верхний (туронско-эоценовый) - преимущественно морскими терригенными, терригенно-мергелистыми осадками кремнистой и кремнисто-глауконитовой формаций.

Мощность яруса до 700-900 м. Второй структурный ярус объединяет олигоцен-плиоценовые континентальные отложения. Мощность этого яруса не превышает 100-150 м.

Отложения позднеюрского возраста таборинской свиты расположены в основании разреза верхнемезозой-кайнозойского платформенного чехла и представлены аллювиальными и пролювиально-делювиальными образованиями, выполняющими палеодолины эрозионного характера, залегая несогласно на образованиях досреднеюрского фундамента.

Таборинский водоносный горизонт (^-зЛ) представляет собой сложно построенную ритмично-слоистую толщу аллювиальных образований общей мощностью около 100 м, разделенную промежуточными глинисто-алевритистыми водоупорами на несколько водоносных подгоризонтов, сложенных проницаемыми песками, песчаниками и песчано-гравийными осадками. Подгоризонты гидравлически связаны между собой и имеют единую пьезометрическую поверхность с абсолютной отметкой около +138 м, что при абсолютной отметке рельефа поверхности +170 - +175 м и обусловливает глубину залегания подземных вод 35-40 м. В пониженных участках рельефа (до +150 м в долине р. Каменки) глубина стояния вод - 10-15 м. Зоны самоизлива отсутствуют.

Горизонт содержит высоконапорные порово-пластовые воды. В соответствии со структурными условиями напоры возрастают в восточном направлении от 534 до 552 м. Движение вод направлено по палеодолине в восточном направлении при незначительном напорном градиенте, равном 0,0001.

Скорость фильтрации естественного потока при коэффициенте фильтрации наиболее проницаемых пород 19 м/сут составляет 0,7 м/год.

Имеет достаточно высокую напорность, застойный характер с высокой минерализацией до 20 г/л и преимущественно хлоридно-натриевый состав.

Таким образом, таборинский водоносный горизонт относится к зоне затрудненного водообмена. А солевой состав не допускает использование вод в качестве питьевых нужд.

Выбранный участок палеодолины должен отвечать следующим критериям, согласно системе мер по обеспечению экологической безопасности подземного захоронения жидких радиоактивных отходов:

1. Геологической средой для безопасного захоронения жидких РАО могут служить водоносные комплексы нижнего гидродинамического этажа, в которых продолжительность цикла водообмена больше времени распада радионуклидов до предельно допустимых концентраций или до верхнего предела естественного радиоактивного фона.

2. Участок недр должен характеризоваться невысокой сейсмичностью и низким теплоэнергетическим потенциалом, исключающим возможность сколько-нибудь значительного конвективного тепломассопереноса от пласта-коллектора по направлению к земной поверхности.

3. Основной гидрогеологический критерий - наличие водоупорных толщ регионального распространения, под которыми имеются водоносные комплексы, насыщенные растворами с минерализацией не ниже исходных седиментационных вод и пьезометрический уровень которых устанавливается ниже поверхности Земли.

4. В разрезе предполагаемого участка захоронения должны отсутствовать гидродинамические, гидрохимические и атмохимические аномалии.

5. Пригодный для захоронения ЖРО водоносный горизонт под трансгрессивно перекрывающими его выдержанными водоупорами должен обладать достаточной приемистостью растворов из нагнетательных скважин

(достаточной мощностью, пористостью, проницаемостью), обеспечивающей размещение проектного объема отходов.

6. Необходимость совместимости жидких отходов с водами и породами пластов-коллекторов, исключающей неконтролируемый разогрев, кольматацию и т. д., способность конкретных пород задерживать миграцию радионуклидов и стабильных загрязнителей, а также возможности возникновения зональности их распределения в водоносном горизонте по пути фильтрации подземных вод.

Второе защищаемое положение. Выбранный для захоронения Верхнеталицкий участок Талицкой палеодолины расположен на асейсмичной территории, а пласт-коллектор таборинской свиты залегает на глубине более 400 метров и перекрыт несколькими региональными водоупорами, что обеспечивает его надежную изоляцию от поверхностной экосистемы.

Главная эрозионная структура - Талицкая палеодолина протяженностью около 150 км от устья Камышловского палеорусла имеет северо-восточное простирание, в центральной части образуя дугообразный изгиб, меняет простирание на субширотное и субмеридиональное и далее прослеживается до границы площади в северо-восточном направлении.

Талицкая палеодолина в пределах Верхнеталицкого участка изучена бурением на трех профилях - Дернейском, Грейдерном и Крутоярском. Современная поверхность территории Верхнеталицкого участка представляет собой слабохолмистую, частично залесенную равнину с сельхозугодьями, болотами, озерами, реками и редкими населенными пунктами.

Цоколь палеодолины слагают кварц-серицит-хлоритовые, реже углеродсодержащие сланцы, а также песчаники и эффузивы основного состава. Тальвег палеодолины постепенно погружается с глубины абсолютных отметок -374 до 406 м со средним уклоном 2,1 м/км, при максимальном на отрезке между Дернейским и Грейдерным профилями 4,4 м/км.

Таборинская свита представлена аллювиальными, преимущественно грубообломочными, сероцветными отложениями среднепозднеюрского возраста. Песчано-галечниковые и песчано-гравийные отложения таборинской свиты

перекрыты пестроцветными глинистыми отложениями киялинской свиты (К,к!) раннемелового возраста, являющимися региональным водоупором. Отложения таборинской и киялинской свит выполняют долины палеорек, не распространяясь за их пределы.

На отложениях киялинской свиты залегает мощная (до 100-130 м) толща раннепозднемеловых аллювиальных осадков синарской и мысовской свит, сплошным чехлом перекрывающих юрские палеодолины. Выше по разрезу залегает 300-метровая толща морских осадков позднемелового-палеогенового возраста, включающая несколько водоупорных и водоносных горизонтов. Завершают разрез платформенных отложений озерно-аллювиальные песчано-глинистые осадки верхнего палеогена и неогена, повсеместно перекрытые маломощным чехлом четвертичных образований.

Суммарная мощность проницаемых осадков русловой фации таборинской свиты в целом по разрезам достигает 40-47 м, сокращаясь вниз по потоку до 20-23 м. Галечно-гравийный материал этих осадков представлен кварцем, кварцитом, а песчаный - обломками кварца, полевого шпата или их сростками.

Русловый комплекс таборинской свиты характеризуется следующими свойствами:

• таборинский горизонт слагают водопроницаемые породы (пески, песчаники, галечно-песчано-гравийные отложения и др.), что характеризует горизонт как коллектор;

• наличие в разрезе нескольких региональных водоупоров, представленных морскими тонкодисперсными терригенными отложениями чеганской и ирбитской свит (первый региональный водоупор), ганышнской и талицкой свит (второй региональный водоупор), кузнецовской свиты (третий региональный водоупор) и континентальными глинистыми образованиями киялинской свиты (четвертый региональный водоупор);

• расположение отложений таборинской свиты в эрозионных структурах, ограниченных с боков непроницаемыми палеозойскими породами.

Движение вод направлено по папеодолине в восточном направлении при незначительном напорном градиенте, равном 0,0001. Скорость фильтрации естественного потока при коэффициенте фильтрации наиболее проницаемых пород 19 м/сут составляет 0,7 м/год.

Вышеописанные свойства руслового комплекса таборинской свиты, а также схожесть геологических условий (коллекторские горизонты сложены слабосцементированными песчано-глинистыми породами и изолированы толщами слабопроницаемых пород) на действующих полигонах подземного захоронения, подтверждают его пригодность для осуществления захоронения ЖРО.

Развитые в Зауралье мощные толщи песчано-глинистых мезокайнозойских отложений относятся преимущественно ко второй и третьей категориям сейсмогрунтов, но сколько-нибудь значительной сейсмической угрозы для расположенных здесь на поверхности инженерных объектов нет.

Территория Талицкой палеодолины, судя по схеме изолинейных природных сейсмических явлений, наблюдавшихся за период 1788-2005 гг., находится за пределами изолинии магнитуды 2,5, т.е. данная площадь может быть отнесена к асейсмичным территориям.

Третье защищаемое положение. Характер поведения радионуклидов в пласте-коллекторе и границы распространения ЖРО, изученные путем моделирования, свидетельствуют о безопасном размещении и хранении отходов в палеорусле.

На Верхнеталицком участке Талицкой палеодолины предполагается захоронение средне- и низкоактивных ЖРО с короткоживущими радионуклидами, представленных отходами преимущественно от эксплуатации и технического обслуживания Белоярской АЭС. В основном это будут низкоактивные нетехнологические отходы, образующиеся при вспомогательных процессах с общей активностью 10"8 - 10"6 Ки/л, а также моющие средства.

Методы расчета фильтрации и количественной оценки ресурсов подземных вод основываются на решениях дифференциальных уравнений подземной гидродинамики или теории фильтрации.

Для прогноза качества подземных вод широко используются методы, разрабатываемые в подземной физико-химической гидродинамике, теории массо-и теплопереноса (миграции вещества) в пористых средах и соответствующих исходных дифференциальных уравнениях.

Распространение радиоактивных веществ в подземных водах ограничивается способностью этих веществ к естественному распаду. Под влиянием указанного распада концентрация радиоактивных веществ в отходах и в загрязненных подземных водах постепенно уменьшается согласно известному уравнению радиоактивного распада:

С, = С0е~°'й93с/Т

С0 - начальная концентрация радиоактивного элемента в отходах или в загрязненной подземной воде;

С, - концентрация радиоактивного элемента по прошествии времени I; Т - период полураспада радиоактивного элемента.

Отдельные компоненты отходов (главным образом находящиеся в катионной форме) вследствие достаточно сложного комплекса процессов взаимодействия с породами пластов-коллекторов, объединяемых понятием «сорбция», при миграции извлекаются из отходов и фиксируются в пластах-коллекторах.

Основными сорбентами являются обычно глинистые фракции пород. Следствием сорбции является замедление скорости миграции сорбирующихся компонентов по сравнению с несорбирующимися.

Объектом моделирования является перспективный участок для создания полигона по захоронению жидких радиоактивных отходов на Верхнеталицком участке Талицкой палеодолины.

Моделирование модели проходит в два этапа:

1. Создание ЗЭ модели участка, с учетом параметров: координат местонахождения скважин; геофизических исследований скважин; описания керна скважин.

2. Создание фильтрационной и миграционной модели (программный модуль МосШо\у, МТЗБМБ), с учетом параметров: фильтрационных характеристик пластов; гидродинамических характеристик пласта-коллектора; физических свойств и химических свойств, слагающих коллектор пород.

Компьютерная модель строится для того, чтобы эффективно использовать полевые данные и по мере накопления новой информации интегрировать ее в модель. Такой способ позволит дать объективную оценку эффективности и безопасности предлагаемого участка для захоронения ЖРО.

На первом этапе была создана модель на основе геологических данных полученных в результате проведения буровых работ на трех профилях -Дернейском, Грейдерном, Крутоярском. Общая площадь территории, охватываемой моделью, составляет 168 км2. Область моделирования была разбита по равномерной квадратной сетке, степень пространственной дискретизации составляет 40 столбцов и 40 строк.

Вертикальная дискретизация геологической среды была проведена в соответствии с принадлежностью пластов к водоупорам или водоносным горизонтам.

В результате была получена геологическая толща в трехмерном виде, на рисунке отчетливо прослеживается русло древней реки, имеющее корытообразную структуру, врезанное в кристаллический фундамент и перекрытое водоупором.

Основной задачей являлось построение модели поведения жидких радиоактивных отходов при их закачивании в Таборинский водоносный горизонт. В результате было принято решение о построении более крупномасштабной модели, в которой присутствовали лишь эксплуатационный пласт, буферный слой и вышележащий водоносный горизонт (рис. 2).

Рисунок 2 - Палеорусло изучаемого пласта-коллектора и буферный слой: 1 -вышележащий водоносный горизонт (синарская свита); 2 - водоупор (киялинская свита); 3 - эксплуатационный пласт (таборинская свита)

Размеры моделируемой области составили 4000 м на 3500 м, степень пространственной дискретизации составляет 30 столбцов и 30 строк.

Данный участок расположен непосредственно на Крутоярском разрезе, именно здесь предлагается строительство полигона подземного захоронения, так как имеется возможность восстановления железнодорожного подъезда для транспортировки ЖРО.

Для создания модели были приняты ряд допущений:

• водоносный пласт-коллектор Таборинской свиты однороден и изотропен;

• коэффициенты фильтрации и значения пористости на всем моделируемом участке имеют одинаковую величину (коэффициент фильтрации 1 м/сут, активная пористость 10 %);

• поступление раствора ведется на всю толщу пласта;

• плотность растворов и фоновая плотность геофильтрационного потока принималась р5 = 1000 кг/м3.

Осуществление закачки сточных вод в пласт-коллектор будет вестись линейным рядом семи нагнетательных скважин. Производительность полигона составит 1050 м3/сут. Продолжительность закачки составляет 25 лет. Нетрудно сосчитать, что общий объем удаленных отходов составит порядка 9,6 млн. м3.

После остановки действия полигона в результате естественного движения подземных вод ореол загрязнителя будет продвигаться со скоростью 2,5 м/год.

Миграционные расчеты по распространению жидких радиоактивных отходов представлены на рис. 3, для 25 лет (окончание работы полигона), 100 лет, 250 лет, 500 лет.

Исходя из результатов моделирования можно сказать что в период эксплуатации нагнетательных скважин граница распространения ЖРО будет исчисляться первыми сотнями метров, а по прошествии 500 лет ореол загрязнителя будет находиться не далее чем 1,5 километра от места закачки.

Рисунок 3 - Прогноз распространения ореола распространения фильтрата жидких отходов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой содержится решение актуальной экологической проблемы обращения с жидкими радиоактивными отходами и конкретной задачи строительства полигона подземного захоронения ЖРО.

1. На Урале имеются традиционные, проверенные временем и российским опытом подземного захоронения геологические структуры. Такими структурами являются палеорусловые песчано-галечниковые отложения юрских рек Зауралья, развитые в эрозионных корыто- и трубообразных структурах.

2. Основными характеристиками, гарантирующими безопасное захоронение ЖРО на Верхнеталицком участке Талицкой палеодолины, являются:

• наличие в разрезе нескольких региональных водоупоров, представленных морскими тонкодисперсными терригенными отложениями чеганской и ирбитской свит (первый региональный водоупор), ганышнской и талицкой свит (второй региональный водоупор), кузнецовской свиты (третий региональный водоупор) и континентальными глинистыми образованиями киялинской свиты (четвертый региональный водоупор);

• затрудненный водообмен, а также непригодность водоносного горизонта таборинской свиты для использования для питьевых и промышленных нужд;

• отсутствие неотектоники, что исключает угрозу возникновения достаточно сильных землетрясений и нарушения герметичности пласта-коллектора;

• расположение отложений таборинской свиты в эрозионных структурах, ограниченных с боков непроницаемыми палеозойскими породами.

3. Построена модель геологической среды осадочной толщи по трем изученным профилям - Дернейскому, Грейдерному, Крутоярскому и на ее основе создана крупномасштабная модель, включающая в себя подстилающий слой, эксплуатируемый водоносный горизонт Таборинской свиты, перекрывающий водоупор Киялинской свиты и вышележащий водоносный горизонт.

4. Полученная модель участка позволяет при появлении уточняющих новых сведений интегрировать их в модель и может послужить основой для дальнейших исследований.

5. Выполнен прогнозный расчет миграции отходов в пласте-коллекторе на основе крупномасштабной модели. С помощью него определены границы растекания ореола загрязнения для различных периодов времени.

6. Радиоактивность большей части радионуклидов в результате распада достигнет допустимых фоновых значений, а также в результате сорбции основная их масса будет задержана глинистыми частицами около прифильтровых зон нагнетательных скважин.

7. В течение 500 лет граница загрязнителя распространится на максимальное расстояние в 1,5 км от места закачки.

8. Выбранный участок можно считать перспективным для создания полигона захоронения жидких радиоактивных или других токсичных отходов. Создание полигона позволило бы кардинально изменить ситуацию с размещением ЖРО на территории Урала и обращением с другими жидкими промышленными отходами, так как при производительности 1050 м3/сут и продолжительности закачки 25 лет полигон может разместить порядка 9,6 млн. м3 жидких отходов.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах,

входящих в перечень ВАК:

1. Мельников А.Э., Слободчиков Е.А. Состав и строение таборинской свиты как коллектора для захоронения жидких отходов // Литосфера. - 2012. - № З.-С. 151-153.

2. Среднеуральский полигон подземного захоронения жидких радиоактивных отходов / В.Б. Болтыров, С.Г. Паняк, А.Э. Мельников, Е.А. Слободчиков // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2012. -№ 2. - С. 74-79.

Статьи, опубликованные в материалах конференций:

3. Болтыров В.Б., Слободчиков Е.А., Мельников А.Э. Состав и строение таборинской свиты, как коллектора для захоронения ЖРО // II Уральский Международный экологический конгресс «Экологическая безопасность промышленных регионов». - Пермь, 2011.

4. Болтыров В.Б., Слободчиков Е.А., Мельников А.Э. Моделирование распространения ЖРО на Среднеуральском полигоне подземного захоронения // II Уральский Международный экологический конгресс «Экологическая безопасность промышленных регионов». - Пермь, 2011.

5. Мельников А.Э. Физико-химические исследования и математические модели для обоснования захоронения ЖРО // Всероссийская научно-практичская конференция с международным участием "Проблемы безопасности и защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций" (Безопасность -2011). - Уфа, - С. 309.

6. Мельников А. Э. Моделирование захоронения жидких радиоактивных отходов на Среднеуральском полигоне подземного захоронения // Уральская горнопромышленная декада, 4-13 апреля 2011 года, г. Екатеринбург. Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа -регионам». - Екатеринбург, 2011. - С. 451.

7. Мельников А.Э. Моделирование распространения жидких радиоактивных отходов в пласте-коллекторе // VI Всероссийская молодежная научно-практическая конференция по проблемам недропользования (с участием иностранных ученых), проводимая Институтом горного дела УрО РАН совместно с Институтом геофизики УрО РАН, Уральским государственным горньм университетом. - Екатеринбург, 2012.

8. Слободчиков Е. А., Мельников А. Э. Состав и строение таборинской свиты как коллектора для захоронения жидких отходов // Уральская горнопромышленная декада, 4-13 апреля 2011 года, г. Екатеринбург.

Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа -регионам». - Екатеринбург, 2011. - С. 449.

9. Мельников А. Э. Обоснование безопасности захоронения ЖРО на Верхнеталицком участке Талицкой палеодолины // X Уральская горнопромышленная декада. Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург, 2012: Изд УГГУ. - С. 479.

Подписано в печать 2.1.11. 2013 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»