Тектонодинамические условия изоляции радиоактивных отходов в кристаллических породах

Петров, Владислав Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Тектонодинамические условия изоляции радиоактивных отходов в кристаллических породах
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Тектонодинамические условия изоляции радиоактивных отходов в кристаллических породах"

На правах рукописи

Петров Владислав Александрович

ТЕКТОНОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ИЗОЛЯЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОДАХ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Москва, 2006 г.

Работа выполнена в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) РАН

Официальные оппоненты:

Геншафт Юрий Семенович, доктор физико-математических наук, профессор Игнатов Петр Алексеевич, доктор геолого-минерапогических наук, профессор Манукин Анатолий Борисович, доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация Институт геоэкологии (ИГЭ) РАН

Защита состоится « 1» НО я Тр.» _ 2006 г. в ^ Ч часов на заседании диссертационного совета Д 002.122.01 в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) РАН по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер., 35

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЕМ РАН Автореферат разослан « 1"? » ОЬТ^сГ^ 2006 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах, просим направлять по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер. 35, ИГЕМ РАН, ученому секретарю диссертационного совета Д 002.122.01 Юдовской Марине Александровне.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.122.01

М.А. Юдовская

ВВЕДЕНИЕ

Постановка проблемы и ее актуальность. Главное требование к объектам длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) или захоронения высокоактивных отходов (BAO) - обеспечение надежной изоляции радионуклидов от экосферы на период их потенциальной радиобиологической опасности. Особенно это актуально в случзе захоронения BAO, в состав которых входят среднежизущие и долгоживущие радионуклиды. Изоляция их от экосферы составляет в первом случае 1000 лет, а во втором — должна быть обеспечена до 10 ООО лет, что сопоставимо со шкалой «геологического времени».

Считается, что необходимый уровень безопасности хранилищ - могильников в кристаллических породах (магматические и метаморфические породы алюмосили-катного состава, а также вулканические породы, содержащие то или иное количество стекла) обеспечивается с помощью мультибарьерной системы защиты, включающей комплекс инженерных барьеров и вмещающую их среду (геологический барьер). Для геологического барьера определяются степень тектонической нарушенное™, минерально-химический состав, физико-механические и сорбционно-емкостные свойства пород, проводятся измерения современного напряженного состояния среды, выявляются ее гидродинамические и гидрогеохимические параметры.

Традиционно прогноз долговременной безопасности при подземной изоляции BAO и ОЯТ основывается на результатах модельных расчетов динамики распространения потока подземных вод и миграции в нем радионуклидов. Ключевое значение для расчетов имеют данные фильтрационных и миграционных тестов, проводимых в естественном залегании пород. Однако приложение этих данных для прогнозных фильтрационно-транспортных моделей ограничено тем, что расчёты скоростей переноса радионуклидов основываются на результатах определения современной морфологии, состояния и гидравлических свойств разрывов. При этом не учитывается вероятность перестройки каркаса флюидопроводящих разрывных нарушений и изменение условий переноса радионуклидов за счёт изменения напряженно-деформированного состояния пород в будущем.

Поэтому для обеспечения долговременной безопасности системы хранения / захоронения BAO и ОЯТ необходимо сложившуюся стратегию выбора участков и трздиционныз методы изучения изоляционных свойств пород дополнить комплексом тектонодинамических исследований, направленных на выявление пространственно-временных взаимосвязей меиаду полями напряжений, механизмами деформации пород, тектоническими движениями и перемещением радионуклидсодержащих флюидов в структурных неоднородностях различного масштаба (разломы, макротрещины, микротрещины, поровые каналы, межзерновые границы).

Цель и задачи исследования. Основная цель исследований - разработать методологию изучения тектонодинамических факторов, контролирующих миграцию радионуклидов в разномасштабных флюидопроводящих структурах и определяющих условия долговременной изоляции BAO и ОЯТ в неоднородно деформированных кристаллических породах. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Выявление пространственно-временных взаимосвязей между разномасштабными тектоническими полями напряжений, механизмами деформационных преобразований и процессами формирования гидравлически активных элементов структурного каркаса массивов кристаллических пород.

2. Проведение сравнительного анализа морфогенетических особенностей флюидопроводящих разрывных нарушений в породах, обладающих различными петрофизическими свойствами и характером деформационных преобразований.

3. Изучение анизотропии петрофизических свойств пород и степени ее влияния на условия миграции радионуклидов в системе «трещина-околотрещинное пространство».

4. Определение набора методов тектонодинамического анализа палео- и современного состояния каркаса флюидопроводящих структур, который в сочетании с данными инструментальных геомеханических и фильтрационно-транспортных тестов, позволяет осуществить прогноз возможного изменения условий переноса радионуклидов в будущем.

Научная новизна. Автором впервые предпринято обобщение данных, отражающих пространственно-временную взаимосвязь между полями напряжений, тектоническими движениями, механизмами деформаций и петрофизическими свойствами пород для выявления путей и анализа условий миграции радионуклидов в трещинно-пористой среде неоднородно деформированных кристаллических массивов в контексте долговременной изоляции BAO и ОЯТ.

Установлены основные закономерности изменения петрофизических свойств пород как функции расстояния от растворопроводящих структур и разработан новый метод изучения упругих и фильтрационных свойств в керновых образцах.

Определены тектонодинамические условия миграции радионуклидов в системе «трещина-околотрещинное пространство» в зависимости от напряженно-деформи-роеанного состояния пород и анизотропии их петрофизических свойств.

Разработана методология изучения текгонодинамического состояния массивов кристаллических пород для планирования мероприятий по выбору полигонов и детальному изучению участков, потенциально благоприятных для изоляции BAO и ОЯТ. Эта методология в сочетании с существующими инструментальными способами определения напряженного состояния и фильтрационных свойств пород обеспечивает улучшение качества оценки долговременной безопасности системы хранения и/или захоронения BAO и ОЯТ.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования результатов исследований на различных стадиях изучения полигонов для создания объектов длительного хранения ОЯТ и захоронения BAO, например, при оценке уровня безопасности этих объектов на основе анализа путей распространения и условий миграции радионуклидов. Кроме того, результаты исследований, отражающие пространственно-временные взаимосвязи метеду разномасштабными полями напряжений, механизмами деформации, тектоническими движениями и гидродинамикой геологических структур, могут найти применение в таких областях, как прогноз устойчивости подземных горных выработок на действующих горнорудных предприятиях и увеличение сырьевой базы уранодобывающих предприятий за счет поиска и разведки новообразованных (переотложенных) рудных концентраций. На основе полученных результатов автором предложен ряд практических рекомендаций, которые использовались при планировании НИОКР и заверены результатами геологосъемочных и геологоразведочных работ на территориях действующих радиохимических и уранодобывающих предприятий.

Фактический материал и методы исследований. Работа базируется на материалах многолетних исследований автора урановорудных месторождений (Стрель-цовское рудное поле в Забайкалье и Дорнотское рудное поле в Монголии), изучения районов действующих радиохимических предприятий (Производственное объединение (ПО) «Маяк» в Челябинской области и Горно-химический комбинат (ПХК) в Красноярском крае), а также на опыте, приобретенном при посещении зарубежных подземных исследовательских лабораторий (ПИЛ) и центров по переработке и хранению РАО (хранилище Морслебен, лаборатория Конрад и хранилище Горлебен в Германии; лаборатория Гримзель в Швейцарии; хранилище WIPP, центр мониторинга ок-

ружающей среды в Карлсбаде, ядерный полигон в Неваде и хранилище Юкка Маун-тин в США; хранилище д'Об, рекультивационный центр Бесин и лаборатория Бюр -Верхняя Марна во Франции).

Основная часть фактического материала была получена автором при проведении исследований в составе научного коллектива Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН по следующим ключевым темам: «Разработка геологических и рздиогеохимических критериев безопасного захоронения высокорадиоактивных отходов в недрах Земли», 1991-1994 г.г. (руководители В.И. Величкин, Б.И. Омельяненко); «Оценка защитных свойств геологической среды района ПО «Маяк» на основе геологических, гидрогеохимических и петрологических исследований», 1S32-1997 г.г. (руководитель В.И. Величкин); «Научные основы радиогеоэкологии», 1993-1995 г.г. (руководители В.И. Величкин, Б.И. Омельяненко); «Геологическая среда и транспорт радионуклидов», 1994-1996 г.г. (руководители Н.П. Лаверов, В.И. Величкин); «Научные основы обеспечения безопасного захоронения радиоактивных отходов», 1996-2000 г.г. (руководитель Н.П. Лаверов); «Геологические основы длительного хранения и подземного захоронения высокорадиоактивных отходов и облученного ядерного топлива», 2001-2004 г.г. (руководители Н.П. Лаверов, В.И. Величкин), которая проводилась в рамках раздела ФЦП «Ядерная и радиационная безопасность России на 2000-2006 г.г.» - «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение», реализуемой Федеральным агентством по атомной энергии (Росатом). Фактический материал также был получен в процессе тематических исследований по контрактам с Росатомом и Роснауки, проектам РФФИ, международным проектам «Массоперенос урана в трещиноватых спекшихся туфзх», 2001-2004 г.г. (проект RG0-2Q202-EM50 Министерства энергетики США) и «Миграция флюидов в геологической среде: экологические приложения» (проект 8572 НЦНИ Франции).

Для решения задач, поставленных в работе, использовались различные методы исследований: геолого-структурные, картографические, включая компьютерную обработку геолого-геофизических данных на основе ГИС и CAD технологий, методы тектонофизического анализа полей напряжений, тектонических движений и деформаций геологической среды, методы струкгурно-петрофизического анализа горных пород, включая порометрию, ультразвуковое прозвучивание, акустическую эмиссию и импрегнацию образцов трассерсодержащими гелями, минерапого-петрографические, включая микроструктурный анализ и метод осколковой радиографии, методы изучения механических и теплофизических свойств пород и др. Для детального изучения анизотропии петрофизических свойств был специально разработан ультразвуковой метод выявления и двумерной визуализации неоднородностей упругих и фильтрационных свойств пород в керновых образцах, а для характеристики процессов, происходящих в система «трещинз-окслотрсщинное пространство», помимо gl:неотмеченных методов, привлекались физико-химические и изотопно-геохимические данные. Большая часть лабораторных испытаний образцов пород проводилась на при-берно-аналитическсй базе и совместно со специалистами РИГУ им. М.В. Ломоносова (Геологический и Физический факультеты), ИФЗ РАН, ИЭМ РАН, Лаборатории UMR 7566 G2R Университета Анри Пуанкаре (Нанси, Франция), Лаборатории радиохимии Университета Хельсинки (Финляндия) и Федерального ведомства по геонаукам и природным ресурсам (Ганновер, Германия).

Основные положения, выдвигаемые к защите.

1. Оценка вероятности изменения геодинамической обстановки и текгонофизи-ческих условий для массивов кристаллических пород, в пределах которых предполагается осуществить изоляцию BAO и ОЯТ, основана на результатах палеогеоди-намических реконструкций, анализе механизмов деформации различных по петро-

физическим свойствам пород и воссоздании динамики формирования каркаса флюидопроводящих структур разноранговых тектонодинамических систем в разновозрастных полях напряжений с учетом латеральной и вертикальной зональности в развитии этих процессов.

2. Мультакомпонентные реакционные модели миграции и накопления радионуклидов в различных окислительно-восстановительных условиях базируются на интегрированных данных по иерархии флюидопроводящих структурных неоднород-ностей (разломы, макро- и микротрещины, поровые каналы и межзерновые границы), изменению их морфологии, ориентировки и фильтрационно-емкостных свойств в разновозрастных тектонических полях напряжений, зональности минерально-химических преобразований вмещающих пород и времени взаимодействия в системе «флюид-трещина-околотрещинное пространство».

3. Основой для реконструкции фильтрационно-транспортных процессов в тек-тонодинамической системе «трещина-околотрещинное пространство» и прогноза термо-гидромеханических и химических преобразований в кристаллических массивах при изоляции BAO и ОЯТ являются данные по характеру напряженно-деформированного состояния пород, анизотропии их петрофизических свойств и морфогене-тическим особенностям структуры порсвого пространства.

4. Методология анализа тектонодинамических условий долговременной изоляции BAO и ОЯТ в массивах кристаллических породах включает набор взаимодополняющих методов полевых и лабораторных исследований, которые применяются на последовательных этапах выбора полигонов и позволяют на основе восстановления истории геологического развитая массивов и выявления неоднородности их состава, свойств и современного состояния, осуществить прогноз изменения геодинамической обстановки, тектонофизических условий, петрофизических параметров среды и механизмов миграции радионуклвдоа а разномасштабных флюидопроводящих структурах в будущем.

Апробация работы. Результаты исследований нашли отражение в более шестидесяти работах, опубликованных в российских и зарубежных изданиях, а также в научных и научно-производственных отчетах ИГЕМ РАН, ВНИПИПТ Росатома, Роснауки, Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Анри Пуанкаре, Франция.

Результаты исследований и основные защищаемые положения докладывались на различных симпозиумах, конференциях и совещаниях, включая следующие: «Научные основы обращения с ядерными отходами» под эгидой Общества по изучению материалов (Бостон, США, 1995; Давос, Швейцария, 1997), «Глобальные и региональные эколого-экономические проблемы геологии» (Москва, 1996), «Свойства туфов - гидрология и использование» (Санта-Фэ, США, 1996) и «Миграция радионуклидов s геосфере» (Лос-Аламос, CUJA, 1999) под огкдсй Лос Алзмосской национальной лаборатории, «Деформационные механизмы в природе и эксперименте» (Базель, Швейцария, 1997), «Новые технологии в захоронении радиоактивных отходов - Dts-Тес» (Гамбург, Германия, 1998; Берлин, Германия, 2004), «Глобальные решения по разоружению и обращению с ядерными материалами» (Краков, Польша, 1998), «Текстуры и физические свойства пород» (Геттинген, Германия, 1999), «Захоронение РАО на территории ПО «Маяк», КНТС Минатома РФ и РАН (Озерск, 1999), «Хранение и захоронение BAO и ОЯТ» под эгидой национальной лаборатории Лоуренс Ливермор (Лас-Вегас, США, 2000), «Реабилитация загрязненных территорий» (Монтерей, США, 2000), Координационный совет по научно-техническому сотрудничеству Министерства энергетики США и РАН (Москва, 2000), «Миграция радионуклидов в трещиноватых породах» (Торонто, Канада, 2001), «Методы изучения петрофизических свойств пород» (Ницца, Франция, 2001), «Захоронение РАО на территории ГХК» (Красноярск,

2001), «Петрофизические свойства пород» под эгидой Лондонского геологического общества (Лондон, Великобритания, 2001), «Проблемы захоронения радиоактивных отходов» (Ла Гранд-Мот, Франция, 2001), «Геология урановых месторождений» (Прага, Чешская Республика, 2002), «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем» (Москва, 2002), «Физико-химические и петрофиэические исследования в науках о Земле» (Москва, 1997,1999, 2001, 2003,2005), Геофизические чтения им. В.В. Федынского (Москва, 2002), НТС Минатома РФ и РАН (Москва, 2002), «Геохимия урана» (Нанси, Франция, 2003), «Обращение с радиоактивными отходами и реабилитация окружающей среды - 1СЕМ» (Оксфорд, Великобритания, 2003; Глазго, Шотландия, 2005), «Производство урана и делящихся материалов для ядерного топливного цикла» под эгидой МАГАТЭ (Вена, Австрия, 2005), «Сергеевские чтения» (Москва, 2005). Основные методические аспекты и результаты исследований также апробировались в рамках тематических докладов в Университете Миннесоты, Факультет инженерной геологии и минеральных ресурсов (Миннеаполис, США, 1994), в Геотехническом центре Цюриха (Швейцария, 1997), в представительстве Европейской комиссии по проекту TACIS 9303 «Оценка реабилитационных мероприятий для территорий уранодобывающих предприятий в СНГ» (Берлин, Германия, 1996-1998), в Университете Лейстера (Лондон, Великобритания, 2001), в Министерстве энергетики США по программе Госдепартамента США «Законодательство по охране и реабилитации окружающей среды» (Вашингтон, окр. Колумбия, США, 2002), в Лос-Аламосской национальной лаборатории по проекту Министерства энергетики США RG0-20202-EM50 «Массоперенос урана в трещиноватых спекшихся туфах» (Лоо-Апзмос, США, 2002), в Университете Акри Пуанкаре па проекту НЦН'И Франции № 9572 «Миграция флюидов в геологической сраде: экологические приложения» (Нанси, Франция, 2003-2004) и в Геоцентре Ганновера (Германия, 2004-2005).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Текст диссертации (475 стр.) сопровождается 234 иллюстрациями-и 27 таблицами. Список литературы содержит 413 наименований.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность В.И. Старостину, пробудившему интерес к структурно-петрофизическим исследованиям горных пород. Автор благодарен всем друзьям и коллегам, совместно с которыми проводились полевые исследования и лабораторные эксперименты в ИГЕМ РАН В.В. Полу-зктову, Л.И. Ззягинцезу, В.Н. Голубеву, О.В. Андреевой, S.A. Головину, Б.И. Омель-яненко, H.H. Тарасову, A.A. Пэку, A.B. Жарикову, В.И. Мапькоаскому и Е.О.Дубининой, в ИФЗ РАН P.M. Насимову, Н.И. Дьяуру и В.А. Терентьеву, в МГУ АЛ. Бурмист-рову, А.Б. Волкову и В.Г. Попову, в ВИМСе А.Н. Сысоеву. За помощь в организации и проведении работ в районах действующих радиохимических и уранодобывающих предприятий автор искренне признателен руководству и сотрудникам ППГХО В.Ф. Головину, В.А. Овсейчуку и С.И. Щукину, в ПО «Маяк» Ю.В. Глаголенко, Е.Г. Дрожко, С.И. Ровному и И.А. Иванову, в КНИИГиМСе В.Г. Сибгатулину и Э.Н. Линду. Автор выражает искреннюю благодарность за совместную работу и поддержку в исследованиях своим иностранным коллегам во Франции (Университет Анри Пуанкаре) М. Леспинассу, Дж. Саус, М. Кюне, Ж. Леруа и М. Кателино, в Германии (Федеральное ведомство по геонаукам и природным ресурсам) Й. Хаммеру, О. Борнеманну и М. Ваппнеру, в Финляндии (Университет Хельсинки) М. Сиитари-Кауппи и М. Келока-ски, в США (Лос-Аламосская национальная лаборатория) П. Лихтнеру и Ф. Перри, в Великобритании (Геологическое общество Лондона и Университет Лейстера) П. Харви и Т. Бреверу. Особую благодарность автор выражает научному руководителю ИГЕМ РАН академику РАН Н.П. Лаверову и зав. лабораторией радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН чп.-корр. РАН В.И. Величкину за помощь и поддержку в проведении тематических исследований.

Глава 1. ИЗУЧЕНИЕ ТЕКТОНОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ВЫБОРЕ ПЛОЩАДОК ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ BAO И ОЯТ

Первая глава работы посвящена рассмотрению понятия «тектонодинамическая система» и вопросов, отражающих эволюцию ее отдельных элементов в приложении к выбору условий, благоприятных для долговременной изоляции BAO и ОЯТ в структурно-тектонических блоках земной Коры на примере района ПО «Маяк» (Челябинская обл.).

Постановка вопроса о причинно-следственной взаимосвязи между тектоническими деформациями, движениями и полями тектонических напряжений относится ко времени создания первых геотектонических гипотез. Особенно острое звучание эта проблема получила во второй половине XIX - начале XX веков в связи с изучением месторождений полезных ископаемых. К началу 70-х годов прошлого столетия научное направление исследований тектонических движений, напряженного состояния пород и механизмов их деформаций объединяло достижения структурной геологии, сейсмологии, экспериментальной тектоники, физики твердого тела, теории упругости и т.д. Основной вклад в развитие этого направления, получившего название «тектонофизика», в нашей стране внесли М.В, Гзовский, В.В. Белоусов, В.В. Эз, Е.И. Патапаха, А.М. Сычева-Михайлова, A.B. Вихерт и др. Тектонофизическая основа закономерностей, которым следуют тектонические деформации, позволила сформулировать направление комплексного изучения напряженного состояния горных пород в современную и прошедшие геологические эпохи. К одной из первых попыток дать название этому направлению, очертить предмет исследований и набор методов, относится понятие «тектодинамика», которое было введено Л.М. Расцве-таевым (1978) на основе термина, предложенного Г.П. Горшковым в 1947 г. Под тек-тодикамикой понималась отрасль тектс! юфизики, исследующая современные и древние поля тектонических напряжений с помощью структурно-геологических, сейсмотектонических и тензометрических методов. В дальнейшем появилась необходимость не только в развитии и усовершенствовании методов количественного анализа полей напряжений, тектонических движений и деформаций, но и в проведении этих исследований на основе системного подхода.

Такой подход, получивший название «текгонодииамичесхий анализ», был предложен П.Н. Николаезым (1992). Этот подход подразумевает изучение динамики развития тектонодинамических систем разных рангов в пространстве и времени. Тектонодинамическая система определяется как генетическая модель взаимодействия тектонических полей напряжений, деформаций и движений, протекающих в объеме горных пород со статистически однородными (но по природе своей - эмерд-жентмыми) физико-механическими свойствами. Основные характеристики тектонодинамических систем - иерархия и имтерферемцкя. Иерархия рассматривается через призму гомогенизации объемов литосферы на разных масштабных уровнях с выделением четырех основных рангов (от высшего к низшему) структур, подвергающихся деформации: 1) зерна минералов и микротрещимсвзтостъ, 2) пачки слоев, плойчатость и трещиноватость, 3) складки, разрывы и 4) антиклинории, синклино-рии, региональные разрывы. Вторая основная характеристика тектонодинамических систем - интерференция разноранговых полей напряжений, деформаций и тектонических движений. Выделение рангов тектонодинамических систем позволяет: соотнести базисы, на которых проводятся измерения, и связать их с иерархией (размерностью) геологических структур; определить основные условия, при которых развивается тектоническая деформация на каждом иерархическом уровне (ранге); установить конкретный временной и пространственный масштабы, в пределах которых функционирует каждый фактор в конкретном ранге.

Взаимодействие между основными элементами тектонодинамической системы вне зависимости от ее ранга (зерно-микротрещина, слой-макротрещина и т.д.) представляется в виде диаграммы (Рис. 1).

Рис.1. Диаграмма соотношения элементов (компонент) тектонодинамической системы одного иерархического уровня (ранга).

Тектонодинамическая система каждого ранга - самостоятельный предмет геологического, геодинамического, тектонофизического, петрофизического, минералогического и физико-химического анализа условий, в которых протекает деформация. Взаимодействие элементов тектонодинамической системы приводит к формированию определенных структурных парагенезисов - наборов устойчивых и упорядоченных ассоциаций генетически взаимосвязанных хрупких (дизъюнктивных) и пластичных (пликатизных) дислокаций одного масштабного ранга, связанных между собой единством места, времени и условий формирования. Особенности развития структурных парагенезисов во многом зависят от петрофизических параметров и скорости деформирования геологического пространства, которая обусловлена количеством стрессовой энергии, приложенной к единице объема породы в единицу времени. Это представление легло в основу деформационно-скоростной концепции образования рудоносных структур и их типизации, разработанной В.И. Старостиным (1934) применительно к месторождениям твердых полезных ископаемых.

В земной коре постоянно действуют тектонические силы, приводящие к изменениям ранее сформированных геологических структур и их парагенетических ассоциаций. Принято выделять три основных типа тектонических режимов - сжатия, сдвига и растяжения, которые характеризуются различным пространственным соотношением осей главных нормальных напряжений (о1, а2 и аЗ, где о1>о2>аЗ). Геодинамические режимы нередко описываются через тензор напряжений (полный тензор напряжений дополнительно включает тангенциальные напряжения т в трех плоскостях) или тип (взбросовый, сдвиговый и сбросовый) тектонического поля напряжений (ТПН). Основной структурно-геологический метод воссоздания геодинамической истории региона - анализ кинематических особенностей разрывных нарушений, определяемых в естественном ззлегзнии пород с использованием морфогенезиса (вид, ориентировка, время формирования) штрихов и борозд скольжения на плоскостях разрывов как индикаторов перемещений (метод «стрейн-анализа»). Получаемые с помощью него данные используются для тектонофизического анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) геологической среды на различных этапах тектогенеза, что имеет принципиальное значение для выявления участков концентрации и рассредоточения напряжений.

Каждому геотектоническому режиму соответствует определенный набор структурных элементов, который изменяется в зависимости от петрофизических, в основном упругих, свойств деформируемых пород. Однако в условиях длительных тектонических воздействий, превышающих по абсолютной величине порог ползучести, породы ведут себя как пластично-вязкие вещества, реологические свойства которых зависят, прежде всего, от их прочности и вязкости. Именно эти два параметра определяют поведение массива пород в поле напряжений и развитие в нем тех или иных сочетаний хрупких и пластичных дислокаций. В связи с этим все многообразие комплексов пород предложено разделить на три типа петрофизических сред (Старостин и др., 1995):

• вязко-прочный объединяет комплексы базальтов, диабазов, андеэито-базаль-товых порфиритов, габбро и другие породы основного состава;

• пластично-малопрочный включает тонкослоистые терригенно-карбонатные породы и туфоапевролиты, пачки хлоритовых, кварц-серицитовых, кварц-муско-витовых, тальковых и серпентинитовых сланцев;

• хрупкий включает два подтипа - хрупко-прочный (гранитоиды, лавовые и субвулканические фации диорит-риолитового состава, массивные кварциты) и хрупко-мапопрочный (грубослоистые туфы и туффиты).

К первому типу относятся геологические разрезы, сложенные породами с высокими значениями плотности, прочности на сжатие, твердости и вязкости, повышенными значениями коэффициента Пуассона и низкими фильтрационно-порис-тостными свойствами. Наиболее устойчивыми к деформациям являются мелко- и тонкозернистые разности этих пород. Они обладают повышенной упругостью, а при значительных по величине и длительных по времени тектонических напряжениях, испытывают пластические деформации, не сопровождающиеся разрывами сплошности значительного масштаба. Ко второму типу относятся породы, которые в естественном залегании отличаются резкой анизотропией петрофизических свойств, высокой проницаемостью в направлении рассланцевания и линейности, повышенной пластичностью и способностью к кливажному типу тектонического течения. В ходе деформаций в пластично-малопрочных породах макротрещинова-тость развивается слабо (не считая послойных или кливажных субпараллельных трещин), но формируются пликативные формы от микроплойчатости до региональных линейных систем складок. Третий тип представлен хрупкими породами, которые характеризуются грубой пологой отдельностью, слабым развитием складчатых форм, широким распространением макро- и микротрещиновэтости, а также линейных зон милонитов и брекчий.

Наблюдаемое в природе многообразие пространственных соотношений различных типов петрофизических сред на всех масштабных уровнях тектснсдинами-ческих систем предлаг ается отображать в виде двойных систем их взаимодействий (Рис. 2). Это позволяет сосредоточить исследования на характере внутренних преобразований и эффектах на границах раздела сред.

Учитывая требования, предъявляемые к вмещающей среде для изоляции BAO и ОЯТ, наиболее благоприятным является вязко-прочный тип петрофизической среды, а наименее - пластично-малопрочный. Промежуточное положение в этом ряду занимают породы, относимые к хрупкому типу сред. При анализе геодинамических обстановок и выборе из них наиболее благоприятной для изоляции BAO и ОЯТ целесообразно особое внимание уделить таким ситуациям, когда массив вязко-прочных пород окружен толщей ппастично-малопрочных или хрупко-малопрочных пород (ситуации A-II и A-III). В этих случаях (при прочих равных условиях) внутренняя структура облекаемого массива будет предохранена от значительных перестроек в процессе возможных региональных деформаций, сопровождающихся

% ,

формированием новых систем разломов и трещин. Это, в свою очередь, обеспечит условия наибольшей гидродинамической пассивности и изолированности внутри-блокового разломно-трещинного пространства.

Рис. 2. Матрица пространственных соотношений основных типов петрофизических сред. 1 - вязко-прочный, 2 - пластично-малопрочный, 3 - 4 - хрупкий и его подтипы: 3 - хрупко-малопрочный, 4 - хрупко-прочный.

II III IV

А Щ i 1Г ттт .111 ,. ■ ■'.,

в i|j i т 1 iff

с Ü ■ i и га rail

ШЙ1 НШЬ ПТТ7ТЭ i ПТТТП л.

Определение сценария развития тектонических процессов в пределах территории размещения BAO и ОЯТ - наиболее сложный и ответственный момент оценки ее пригодности. Это сопряжено с анализом таких факторов, как параметры внешнего (регионального) поля напряжений, Р-Т условия деформирования пород, их минеральный состав и реологические свойства, степень флюидонасыщенности и т.д. Одним из подходов к решению этого вопроса является анализ скорости деформирования геологического пространства (Старостин, 1994). Диапазон скоростей деформирования изменяется от 10'15 до 10 с"1. Он охватывает низко- (от сотен до нескольких миллионов лет), средне- (несколько миллионов - несколько сотен тысяч лет), повышенно- (сотни - несколько десятков тысяч лет) и высокоскоростные (десятки - первые тысячи лет), а также взрывные (практически мгновенные в геологическом масштабе) процессы деформаций и связанные с ними структурные пара-генезисы. В целом с увеличением скорости деформирования возрастает количество разрывных элементов структурных парагенезисов (разломы, системы крутопадающих трещин, зоны послойной трещиноватости и т.д.), что обусловливает высокую степень деструкции и гидродинамическую неоднородность геологических блоков.

Сопоставление областей развития современных ТПН и тектонических режимов различного типа с кинематическими особенностями присущих им типов рельефооб-разующих (активизированных и новообразованных) нарушений позволило автору совместно с А.Н. Сысоевым (ВИМС) и А.Б. Волковым (МГУ) предложить концепцию латеральной деформационной зональности Уральского региона, в пределах которого расположен район ПО «Маяк». В современной тектонической структуре региона выделены области (зоны) аккумуляции и трансляции тектонических напряжений. Области аккумуляции характеризуются в основном взбросовым и реже сбросовым типом ТПН. На региональных картах активных разломов они объединяют участки расчлененного рельефа с глубоко врезанными водотоками. Из типичных структур распространены взбросы, надвиги и сдвиго-взбросы. Они являются зонами разрядки накопленных тектонических напряжений (землетрясения, горные удары в подземных выработках и т.д.). Области трансляции характеризуются в основном сдвиговым тектоническим режимом и сквозной передачей тектонических напряжений от одной области аккумуляции к другой. В тектонической структуре этих областей много линейных разрывных нарушений, представленных сдвигами и сбросо-сдвигами. Для этих областей характерен спокойный рельеф, в котором преобладают полигенетические поверхности выравнивания, платообразные поднятия и т.п. Наиболее

ярко латеральная деформационная зональность проявляется на региональном уровне при масштабе исследований от 1:1 ООО ООО до 1:200 ООО. При укрупнении масштаба исследований (1:25 ООО и более) она теряет четкое выражение и становится мозаичной, что обусловлено неоднородностью геологической среды, составленной блоками пород с различными петрофизическими свойствами.

Геодинамические, тектонофизические и геоморфологические исследования, проведенные автором совместно с А.Н. Сысоевым и А.Б. Волковым в районе ПО «Маяк», а также анализ данных по сейсмичности, скоростям вертикальных перемещений поверхности, инструментальным измерениям напряженного состояния пород in situ показали следующее. Район, расположенный на восточном склоне Среднего-Южного Урала, находится в области трансляции напряжений, но в непосредственной близости от сейсмоактивной области аккумуляции напряжений, отделяясь от него зоной Главного Уральского разлома (ГУР). В геодинамической истории района выделяется два основных периода (Зоненшайн и др., 1990). Первый период охватывает интервал времени, начиная с венда до начала триаса. С его завершением связано" образование горно-складчатой системы Урала с характерной «уральской» виргентностьга структурных элементов, покровно-складчатыми деформациями и образованием надвиговых структур на западном и восточном склонах. Второй период охватывает мезозойский и новейший (неоген-четвертичный) этапы. На мезозойском этапе сохраняется режим регионального сжатия с образованием надвигов, взбросов и складок в осадочном чехле. Новейшая тектоническая активизация структур также происходила на фоне горизонтального ССВ-субширотного сжатия литосферы (Рыжий и др., 1994), обусловленного влиянием так называемого «Уфимского выступа» Восточно-Европейской платформы. План региональных деформаций сохраняется, по крайней мере, с голоцена (Алейников и др., 1988), т.е. около 10 ООО лет. Существование условий сжатия в современное время подтверждено инструментальными измерениями in situ напряженного состояния пород (Трифонов и др., 1969). В шахтных выработках на глубинах 100-300 метров от поверхности величины главных нормальных напряжений составляют 20-40 МПа (ст1) и 10-20 МПа (оЗ). При этом ориентировка главного вектора сжимающих усилий близка к горизонтальной, что характеризует геодинамический режим как взбросо-вый. О режиме регионального сжатия также свидетельствуют данные по фокальным механизмам землетрясений с эпицентрами в районах городов Кыштым, Златоуст и Миасс (Кононенко и др., 1990).

Южно-Уральский регион, в пределах которого расположен район ПО «Маяк», находится в полосе сочленения новейшего орогенического поднятия Урала и субплатформы, и характеризуется сложным мозаично-блоковым геологическим строением. Наряду с ярко выраженной латеральной деформационной зональностью, это определяет такие черты его современной геодинамики, как субширотное сжатие массивов пород, дифференцированность вертикальных движений и зональность в проявлении сейсмической активности.

Развитие геологических структур района ПО «Маяк» определяется взаимодействием трех тектонодинамических систем одного (регионального) ранга: 1) Иртяш-ский структурный блок, породы которого (гнейсово-амфиболитовый комплекс (PR3-PZ1), граниты-гранодиориты и габбро (PZ1)) формируют хрупко-прочный петрофи-зический тип среды, 2) Верхний структурно-формационный уровень Аргаяшского структурного блока, представленный вязко-прочными породами вулканогенно-осадочного комплекса (S1-D1), и 3) Нижний структурно-формационный уровень Аргаяшского структурного блока, сложенный пластично-малопрочными породами кар-бонатно-терригенного комплекса(С1-2), который отделен от верхнего уровня зоной Аргаяшского надвига. Тектонодинамическая система Иртяшского структурного блока

развивается в сбросовом тектоническом режиме рамповой долины, «зажатой» между сближающимися геомассами новейшего поднятия Урала (с запада) и верхнего структурно-формационного уровня Аргаяшского структурного блока (с востока). Те-конодинамическая система этого уровня развивается б условиях взбросового тектонического режима со свойственным ему структурным парагенезисом складчатых и разрывных нарушений. Вопрос о тектоническом режиме нижнего структурно-формационного уровня Аргаяшского блока остается открытым в связи с его слабой геолого-геофизической изученностью. Характер взаимодействия тектонодинамиче-ских систем определяется нисходящими движениями Иртяшского блока и относительной тектонической стабильностью верхнего уровня Аргаяшского блока. Такая тенденция сохраняется на протяжении - 10 ООО лет, начиная с поздних этапов неоген-четвертичной активизации региона, скорее всего с голоцена. Это установлено с помощью сравнительного анализа разрезов озерных отложений Иртяшского и Аргаяшского блоков, включая данные по мощностям и химическому составу донных отложений, их возрасту по спорово-пыпьцевому анализу и скоростям накопления (Sysoev et al., 1999). Исходя из принципа унаследованное™, можно предположить, что такая тенденция взаимодействия одноранговых тектонодинамических систем в районе ПО «Маяк» сохранится, по крайней мере, в течение ближайших 10 ООО лет при сохранении регионального плана деформаций и отсутствии катастрофических сейсмодислокационных явлений. Исключать такого сценария развития событий нельзя, поскольку район ПО «Маяк» расположен в области трансляции тектонических напряжений, но в непосредственной близости с областью аккумуляции напряжений новейшего поднятия Урала, от которой отделена зоной ГУР.

Глава 2. РЕКОНСТРУКЦИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ ПРИ ВЫБОРЕ ПЛОЩАДОК ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ BAO И ОЯТ

Вторая глава работы посвящена рассмотрению вопросов, связанных с реконструкцией НДС среды на различных, включая новейший, этапах тектогенеза с помощью тектонофизических методов исследований и оценки геомеханического состояния массивов пород в контексте геологического обеспечения безопасного размещения BAO и ОЯТ. Основные объекты исследований - разрезы скважин на участках «Итатский» и «Каменный» Нижнеканского гранитоидного массива в районе ГХК, участки в гранитном обрамлении Стрельцовского рудного поля в районе ППГХО и структурно-тектонические блоки в районе ПО «Маяк». Материалы второй главы, наряду с данными, приведенными в первой главе, - основа для формулирования первого тезисного положения.

В верхней части земной коры напряженное состояние пород определяется совместным действием гравитационного и тектонического силовых полей. Современнее напряженное состояние измеряется in situ различными инструментальными методами (перебуривания, гидроразрыва, разгрузки). Анализ и обобщение этих данных показали, что величины горизонтальной девиаторной компоненты напряжений, связанной с действием тектонических сил дополнительно к литостатической нагрузке, варьируют в пределах 10-40 МПа.

Реконструкция палеонапряжвнного состояния пород основана на данных стрейн-анапиза, позволяющего установить изменение в пространстве и времени ориентировку осей главных нормальных (о1, ст2, оЗ) и тангенциальных (t) напряжений, отношение длин осей эллипсоида деформации, кинематические (тип и амплитуда перемещений) характеристики разрывов и их ориентировку по отношению к действовавшим напряжениям. Используются три основные группы индикаторов па-леонапряжений (Сим, 1991): I - сколовые сопряженные трещины, II - следы текто-

нических перемещений и Ш - комплексные. Первая группа индикаторов позволяет установить ориентировку осей напряжений на момент трещинообразования, вторая группа - определить вид напряженного состояния и ориентировку осей главных нормальных и скалывающих напряжений на Момент Последней тектонической активизации, а третья (например, анализ «вторичных» нарушений в сочетании с геоморфологическими данными) - выявить кинематические характеристики активизированных разломов и воссоздать НДС среды в новейший этап тектогенеза. Палео-напряжения также фиксируются в минералах-индикаторах деформаций (кварц, полевые шпаты, кальцит) методом микроструктурного анализа.

Кроме гравитационных и тектонических полей на НДС массивов пород оказывает влияние поровое давление, которое согласно теории К. Терцаги (1961), уменьшает значения эффективного стресса. С учетом этого в работе проведено обобщение критериев разрушения пород, рассмотрены примеры механизмов зарождения трещин и пространственно-временных вариаций в скоростях формирования разрывов при изменении напряжений. Показано, что анализ механизмов деформации пород в разновозрастных ТПН позволяет выделять в структурных парагенези-сах элементы, предрасположенные к сколу (сдвигу) или растяжению. Трещины и копланарные сегменты разломов, расположенные параллельно оси максимальных сжимающих усилий (ст1), наиболее раскрыты и соответственно имеют относительно более высокую гидравлическую проводимость в плоскости а1сг2. В противоположность этому трещины и сегменты разломов, расположенные перпендикулярно к оси а1, обычно «притерты» и характеризуются низкой способностью к фильтрации. Кроме того, имеет значение тип локального ТПН в области развития трещинной системы, так как в условиях неравномерно нагруженного трещиноватого массива поток растворов устремляется в зоны локального растяжения (декомпрессии), а в зонах локального сжатия скорость фильтрации резко падает. Для выявления взаимосвязи между кинематическими особенностями и фильтрационными характеристиками разрывных структур автором используется модель поведения сколовых и отрывных нарушений в ТПН, предложенная Д.П. Хиллом (1977) для оценки механизмов образования сети разрывов в результате землетрясений. Основным следствием из этой модели является то, что пересечение разлома и трещин растяжения (отрыва) привносит дополнительную компоненту к трещинной проницаемости пород из-за формирования вертикальных (при сдвиговом и сбросовом режимах) и горизонтальных (при взбросовом режиме) трубообразных (тубулярных) каналов фильтрации. Эта каналы параллельны расширяющимся частям разлома и в сочетании с ними образуют дирекционную проницаемость в направлении промежуточной оси напряжений (а2), ориентированной ортогонально к вектору сдвига по плоскости разлома. В зависимости от интенсивности дифференциального стресса (а1-оЗ), характера упруго-хрупких деформаций, уровня порового давления флюидов и петрофизических свойств (предел прочности на растяжение и угол внутреннего трения) пород инфильтрация флюидов может приводить к возникновению новых систем трещин в результате гидроразрыва.

По мере возникновения и развития индивидуальных структурных форм локальное поле напряжений подвергается изменению и привносит дополнительную неоднородность в характер НДС среды. Формирование новых элементов каркаса разрывных нарушений может приводить к существенному изменению трещинной проницаемости породного массива, которая увеличивается или уменьшается в зависимости от петрофизических свойств пород. Например, деформации в низкопористых массивных породах приводят, как правило, к повышению трещинной проницаемости за счет формирования катаклазитов и брекчий, тогда как проницаемость высокопористых (например, туфы) пород может уменьшаться за счет их дополни-

тельного измельчения и растирания с образованием слабопроницаемых «деформационных пакетов». К тому же трещинная проницаемость массива пород не является постоянной во времени и пространстве в связи с заполнением полостей трещин дайками (магматическая активность), новообразованными минералами (гидротермальная активность), глинкой трения (тектоническая активность), импрегнатами (техногенная активность) и т.д.

Фактор пространственно-временной неоднородности накладывает определенные ограничения на возможность решения задачи о трещинной проницаемости массива пород. Для решения этого вопроса на конфетный интервал времени и для конкретной модели тектонофизических процессов выявляются предрасположенные к сдвигу или раздвигу разрывы, их основные гидравлически активные структурные элементы, ориентированные в плоскости о1а2, и/или устанавливается пространственная ориентировка осей «эллипсоида объемной проницаемости» толщи пород.

Таким образом, развитие различных элементов каркаса разрывных нарушений определяется стрессовым и флюидным режимами, неоднородностью пород по пет-рофизическим свойствам, а также ориентировкой разрывов относительно компонент поля напряжений. Для правильного прогноза путей и времени распространения радионуклидов в потоке подземных вод необходимо не только определить структурный каркас, фильтрационные свойства и транспортную способность разномасштабных неоднородностей, но и установить динамику их развития в изменяющемся во времени и в пространстве поле напряжений (тектоническом и/или техногенном).

Тектоническая стабильность массива горных пород определяется как способность его структурных элементов па испытывать изменений в условиях внешних и внутренних динамических воздействий в течение необходимого интервала времени. Для этого используются различные тектонофизические критерии. Анализ литературных данных показал, что основным их недостатком является то, что они не учитывают вероятности возникновения новых разрывов из-за изменения (природного или техногенного) уровня флюидонасыщенности массива пород. В определенной мере это компенсируют эмпирические классификации, применяемые в инженерно-геологических исследованиях для оценки геомеханических свойств массивов пород но основе рейтингов (Варга, 1995). Здесь используются такие параметры, как ширина, морфология, длина, ориентировка, обводненность и минеральный заполнитель трещин, прочность на сжатие станок, напряженное состояние массива, пьезометрическое давление и т.д. В ряде классификаций учитываются техногенные факторы (ориентировка сооружения относительно трещин и действующих напряжений, влияние взрывных работ, техногенного выветривания и разгрузки пород).

Из всего многообразия автором был выбран и проанализирован параметр ЯОО, который является количественной характеристикой трещиноватости пород. Значения этого параметра, определяемые в обнажениях коренных пород, керне скважин и по данным ультразвукового прозвучивакия околосксажинного пространства, варьируют от 0 до 100 по мере убывания количества трещин. На примере разрезов скважин на участках «Итатский» и «Каменный» в районе ГХК было показано, что величины параметра /?СО существенно различаются в зависимости от того, какие значения скоростей Р-вопн (измеренные в вертикальном и горизонтальном направлениях) используются в расчетных формулах. Это подтверждает важность учета степени анизотропии петрофизических свойств при оценке тектонической ста-бильноста пород.

Реконструкция полей папеонапряжений и оценка их унаследованности в современных полях напряжений в контексте определения динамики развития флюи-допроводящих разрывных нарушений проводилась в гранитном обрамлении Стрельцовского рудного поля в районе ППГХО и на территории ПО «Маяк». В обоих

случаях применялось сочетание методик Гзовскопо-Николаева (системы сопряженных сколовых трещин) и Анжелье-Гущенко-Этчекопара (борозды и штрихи скольжения). Результаты иллюстрируют основные элементы тектонофизических исследований на разныл этапах выбора полигона для изоляции ОЯТ от рекогносцировочных полевых работ до моделирования деформационных процессов и верификации модельных представлений результатами специализированных тестов in situ.

В районе ППГХО в течение последних нескольких лет проводится сбор и анализ данных для оценки гранитоидного обрамления Тулукуевской вулканотектониче-ской структуры (ТВТС) на предмет возможного создания международного хранилища ОЯТ (Laverov еХ al., 2004). В палеозойских (каледонские гранито-гнейсы и варис-ские биотитовые граниты) породах намечено пять перспективных участков. Основной объем полевых и лабораторных исследований, проведенных под руководством автора совместно с Полузктоеым В.В. и Голубевым В.Н. (ИГЕМ РАН) и М. Леспинас-сом (Университет Анри Пуанкаре), приходится на участок N 1. Он расположен к СЗ от г. Краснокаменска и занимает площадь 42 км2, где определены 20 базовых точек наблюдений. Структурно-геологические исследования позволили выявить пять основных элементов внутреннего строения участка: 1) первичная магматическая сланцеватость, 2) зоны пластических деформаций («рассланцевания») СВ простирания, 3) зоны «полухрупких» деформаций ССВ-субмеридионального простирания, 4) разломы сбросового и сбросо-сдвигового характера СВ, субмеридионального и СЗ простирания, 5) системы крутопадающих СВ, СЗ, субмеридиональных и субширотных трещин, а также системы пологих трещин субмеридионального и СЗ простирания.

По пространственной ориентировке магматической сланцеватости оконтурено гранитное тело, но этих данных недостаточно для решения вопроса об уровне его эрозионного среза. Геометрический (генезис, морфология), статистический (элементы залегания, апертура, линейная плотность, минеральное выполнение) и кинематический (следы перемещений) анализы показали наличие линейных зон повышенной трещиноватости пород, которые рассекают площадь участка а пяти основных направлениях (СВ, ССВ, СЗ, ЗСЗ и субмеридиональном). В узлах их пересечения с крупными разрывами формируются крутопадающие трубообразные (тубулярные) каналы инфильтрации метеорных вод. Их морфология и фильтрационная способность определяются ориентировкой трещин по отношению к компонентам ТПН. Па-леотектонические реконструкции (по элементам залегания магматической сланцеватости и стрейн-анапизу разрывов) позволили выделить три основных этапа деформаций, в течение которых изменялись ориентировка осей главных нормальных напряжений и тектонический режим, а также динамика формирования геоморфологических элементов участка: I этап в процессе становления магматического тела; II этап пластических деформаций, включая формирование зон пластических (стадия 1) и «полухрупких» (стадия 2) деформаций с преимущссткмшо сбросовым характером перемещений блоков; ill этап хрупких деформаций, включая формирование сбросов и долин СВ простирания (стадия 1), сбросов и долин СЗ простирания (стадия 2), а также сбросо-сдвигов и систем трещин (стадия 3). Время начала и завершения каждого из этапов реконструируются в контексте регионального палеогеоди-намического анализа геологических структур ЮВ Забайкалья.

Таким образом, рекогносцировочные структурно-геологические и тектонофизи-ческие исследования на участке, даже при отсутствии данных площадной геофизики, дают широкий спектр информации, необходимой для оценки текгонодинамиче-ских условий для изоляции ОЯТ. К тому же, они позволяют наметить основные направления и методы последующих работ по детальному изучению и прогнозу изменения фильтрационных свойств и НДС среды. На примере участка N1 показано, что сочетание морфогенетического и кинематического анализов основных элементов

каркаса разрывных структур позволяет определить в пространстве ориентировку профилей наземных и скважинных (геофизических, опытно-фильтрационных и геомеханических) исследований. Координиррванный ввод и обработка всех геолого-геофизических данных на основе ГИС и CAD технологий необходим для выявления и характеристики наиболее вероятных путей транспорта радионуклидов подземными водами, что обеспечивает наиболее полную сравнительную оценку потенциальных участков для изоляции ОЯТ в районе ПППХО.

В районе ПО «Маяк» детальное изучение морфогенетических и кинематических особенностей разрывных нарушений проводилось автором в контексте выявления динамики формирования ведущих структурных парагенезисов, а также установления основных закономерностей в развитии современного НДС геологической среды с помощью физического моделирования и аналитическим способом.

Основная часть территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) ПО «Маяк» сложена комплексом вулканогенно-осадочных пород (S1-D1), которые в верхнем структур-но-формационном уровне Аргаяшского блока представлены лавами, лавобрекчиями и туфолавами андезито-базальтовых порфиритов, их туфами различной зернистости, туфопесчаниками и туфоалевролитами. Исходные породы подверглись метаморфизму в условиях зеленосланцевой фации. С учетом этого для данного комплекса используется термин «метавулканиты». В их разрезе широко проявлены сланцы, возникшие в ходе динамометаморфизма перечисленных пород. Последующие низкотемпературные гидротермально-метасоматические преобразования привели к замещению исходных минералов (пироксен, Ca-Na плагиоклаз, амфибол) агрегатами альбита, аетинолита, эпидота, хлорита, пренита, кварца, серицита, карбоната и гематита.

По морфогенетическим особенностям, времени заложения (от более древних к более молодым) и масштабам проявления разрывные нарушения разделены на следующие группы: 1) глубокопроникающие разломы, 2) зоны рассланцевания, 3) мило-нитовые швы и зоны брекчирования, 4) системы трещин. Глубинные разломы и зоны рассланцевания отнесены (Velicfikin et a¡., 1SS5) к региональным межблоковым, а ми-лонитовые швы, зоны брекчирования и системы трещин - внутриблоковым структурам. Структурно-геологические и тектонофизические исследования (более 60 базовых точек в коренных породах) позволили выявить три разновозрастных структурных парагенезиса, формирование которых происходило при различных режимах деформации: герцинский, мезозойский и кайнозойский (Petrov et al., 1936). Горцинский парагенезис объединяет разномасштабные складчатые формы в комбинации с линейными зонами рассланцевания и сопровождающего кливажа, а также региональные над-виговые структуры. Этот парагенезис формировался в режиме транспрессии (ау=ст2-аЗ) и регионального метаморфизма исходных вулканогенно-осадочных пород в условиях зеленосланцевой фации, сопровождавшихся образованием крупных над-виговых структур типа Аргаяшского надвига. На заключительных этапах деформаций при превышении предела прочности пород на сжатие произошло формирование ми-лонитовых швов и заложение основных трещинных систем. Мезозойский парагенезис объединяет зоны брекчирования и многочисленные системы трещин, выполненные разнообразной гидротермальной минерализацией. На стадии основных перемещений ориентировка осей главных нормальных напряжений с1 и оЗ была субгоризонтальной, что характеризует данный тектонический режим как сдвиговый. Структурно-геоморфологический анализ территории (Sysoev et al., 1999) позволил выделить ряд линеаментов (новообразованных рельефообразующцх разрывов) и отдельных зон повышенной трещиноватости пород в качестве кайнозойского структурного парагенезиса, формирование которого происходило на фоне регионального субширотного сжатия и общего затухания гидротермальной активности. Линеаменты СВ, СЗ и субмеридионального простирания наследуют дизъюнкгивы более древнего заложения

или представлены флексурными изгибами в рыхлых отложениях. Реконструкция кайнозойского (неоген-четвертичного) тектонического режима методом стрейн-анализа показала, что наиболее поздние перемещения по пинеаментам происходили в условиях ориентированного субширотного сжатия.

Региональный план современных деформаций, определяемый влиянием «Уфимского выступа» Восточно-Европейской платформы, отражен в картине НДС геологической среды территории ПО «Мзяк». Сдвиговые дислокации наиболее ярко проявлены в зонах разломов СЗ и СВ ориентировки, а разломы субмеридионального (уральского) простирания имеют преимущественно взбросовую и взбросо-сдвиговую составляющие перемещений. Однако наиболее динамически неустойчивые в локальном ТПН - субширотные разломы, в зонах которых в наибольшей степени проявляются дислокации отрывного характера. С этим связано относительное повышение значений их гидравлической проводимости по сравнению с разрывами других направлений, что наглядно демонстрирует динамика продвижения фронта загрязнения к востоку от озера Карачай с формированием вытянутых в субширотном направлении каналов фильтрации подземных вод. Унаследованность кайнозойского (неоген-четвертичного) и современного планов деформаций, определяемых субширотным сжатием, также подтверждается данными инструментальных наблюдений (Адушкин и др., 1997) за динамикой релаксационных процессов in situ.

Динамическую неустойчивость внутриблоковых субширотных разломов иллюстрируют результаты физического моделирования (метод фотоупругости) реакции каркаса разрывных нарушений на субширотное сжатие, проведенного с учетом положений теории и условий подобия модели и прототипа (Басанин, 1992). Установлено, что при заданной сети разломов и динамическом воздействии, имитирующем общее субширотное сжатие, основные концентрации напряжений возникают в узлах пересечения и сопряжения разрывов, а также в пределах отдельных блоков, отличающихся модулем Юнга. Если не учитывать краевые эффекты, то максимумы концентраций напряжений трассируются в широтном направлении, что наиболее характерно для центральной части модели (район оз. Карачай). Полученная модель отражает процесс формирования и кинематику разрывных нарушений только в плане и по существу соответствует сдвиговому типу тектонического режима (оси гг1 и аЗ горизонтальны). В этих условиях наиболее раскрытыми и гидравлически активными являются разрывы, находящиеся в вертикально ориентированной плоскости ст1о2. Однако в разрезе картина распределения разрывов существенно иная. Это связано с прогрессирующим формированием системы взбросов и сопровождающих их субгоризонтальных разрывов отрывного характера. В этом случае плоскость о1о2, вдоль которой будут ориентированы наиболее проницаемые для флюидов разрывы, расположена горизонтально.

Оценка возможности изменения гидродинамической обстановки в разрезе толщи метавулканитов центральной части СЗЗ ПО «Маяк» проведена автором аналитическим способом. Для расчетов принимались следующие условия и ограничения:

• толща пород подвергается субгоризонтальному сжатию и рассматривается как однородный (нетрещиноватый) изотропный упруго-деформируемый массив с горизонтальной поверхностью;

• поскольку данные по абсолютным значениям компонент тензора напряжений отсутствуют, то поле напряжений, обусловленное тектоническими силами, однородно для всего разреза, а величины горизонтальных напряжений, вызванных тектоническими силами, устанавливаются как 20 МПа (модель 1) и 40 МПа (модель 2); величины касательных напряжений равны нулю;

• поровое давление постоянно и дифференциальный стресс составляет менее четырех значений предела прочности пород на растяжение (критерий Гриффита);

• основой для расчетов напряженного состояния служат петрофизические параметры, выявленные при экспериментальном изучении образцов керна (Лаверов и др., 2003) из разреза скважин 8001-8002 участка «Марс-2» в районе оз. Карачай; образцы принимаются за единичные характеризуемые объемы. Основные результаты расчетов сводятся к следующему. В условиях

субпоризонтапьного сжатия в разрезе толщи наблюдается изменение типа ТПН в последовательности взбросовый—► сдвиговый—> сбросовый (модель 1) или взбро-совый—» сдвиговый (модель 2). Фактор неоднородности НДС среды определяет кинематические характеристики разрывных нарушений и гидродинамическую неоднородность толщи пород. Наиболее гидравлически активные разрывы, расположенные в плоскости о1с2, на верхних горизонтах разреза будут характеризоваться субгоризонтальным залеганием, а ниже по разрезу, начиная с глубин 230 м (модель 1) или 400 м (модель 2), будут формироваться вертикально ориентированные каналы фильтрации подземных вод. Если по каким-либо природным или техногенным причинам поровое давление превысит литостатическую нагрузку, то в зависимости от предела прочности пород на разрыв (7"s) на различных гипсометрических уровнях разреза (52 м при 7s=1 МПа, 260 м при Ts=5 МПа и 520 м при 7"s=10 МПа) может произойти реактивация разрывных структур. Вероятность развития процессов гидроразрыва возрастает если учесть, что на интервале глубин 500600 м изменяется мода деформации (индекс VVvVs), когда преимущественно пластические деформации пород верхней части сменяются вниз по разрезу деформациями хрупкого разрушения. В обстановке сжатия в толще метзвулканитоа могут формироваться локальные условия повышенного водопритока и общего водонасы-щения пород, что приведет к резкому снижению их механической устойчивости к ориентированному стрессу.

Похожая картина неоднородности НДС пород и кинематических характеристик разрывов, определяющих гидродинамическую расспоенность толщи пород, установлена в разрезе гранитоидов ПИЛ Аспё в Швеции. Здесь величина максимального горизонтального стресса на глубине 950 м, выявленная с помощью метода гидроразрыва, варьирует в пределах 35-45 МПа (Taibot, Sirat, 2001), что сравнимо с величинами в модели 2 района ПО «Маяк». Очевидно, что верификация результатов проведенных тектонодинамических исследований возможна лишь в случае получения структурно-геологических, геофизических, гидрогеологических и геомеханических параметров по глубоким горизонтам фундамента. Сочетание этих данных позволит осуществить прогноз развития каркаса флюидопроводящих нарушений и возможного изменения условий переноса радионуклидов из рабочей зоны могильника BAO (- 0.5-1.0 км) в будущем.

Глава 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД НА МАКРО- И МИКРОУРОВНЕ В СВЯЗИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ BAO И ОЯТ

Третья глава работы посвящена методическим аспектам полевых исследований и лабораторного изучения фильтрационных свойств кристаллических пород структурно-геологическими, петрофизическими и микроструктурными методами с целью разработки оптимального перечня вводных данных для моделирования процессов миграции радионуклидов в трещинно-поровой неоднородно деформированной и напряженной геологической среде для обеспечения безопасного

размещения BAO и ОЯТ. Основные объекты исследований - разрезы скважин на участках «Итатский» и «Каменный» Нижнеканского гранитоидного массива в районе ГХК. Материалы третьей главы являются основой для формулирования второго тезисного положения.

Анализ морфогенетических характеристик и пространственных соотношений популяций разрывных нарушений, скорости фильтрации подземных вод и условий транспорта радионуклидов - неотъемлемая часть оценки долговременного поведения и уровня безопасности системы изоляции BAO и ОЯТ. Поскольку трещинная проницаемость кристаллических пород во много раз превышает проницаемость их твердой матрицы, исторически сложилось так, что основные усилия направлялись на изучение и моделирование процессов транспорта загрязнителей в дискретных трещинных системах. В обосновании этих моделей и в их расчетной части процессам взаимодействия между трещиной и прилегающим к ней пространством отводилась, как правило, второстепенная роль. Однако тектонические, гидромеханические, термические и другие воздействия приводят к изменению состояния и фильтраци-онно-транспортных свойств не только флюидопроводящих трещин, но и притрещин-ной породной матрицы. Это неизбежно сказывается на скорости течения флюидов и мобильности радионуклидов. Поэтому для реконструкции флюидных режимов в прошедшие геологические эпохи, определения современного гидрогеологического режима и прогноза изменения фильтрационно-транспортных условий в будущем принципиальное значение приобретает изучение процессов в тектонодинамической системе «трещина-околотрещинное пространство».

Важнейшие механизмы транспорта радионуклидов газово-жидкой фазой в трещиноватых кристаллических породах - адвекция, дисперсия, матричная диффузия, сорбция, коллоидный перенос, радиоактивный распад и химико-биологические преобразования пород. Ключевую роль в снижении скорости распространения радионуклидов и их количества в потоке подземных вод, фильтрующихся через систему «трещина-околотрещинное пространство», играет матричная диффузия и сорбция. Матричная диффузия - это перемещение растворенных веществ из разрывных нарушений в прилегающий объем породной матрицы в процессе диффузии молекул. Эффективность матричной диффузии в основном зависит от площади реакционной поверхности между трещиной и матрицей, морфологии (кривизны) трещины и поровых каналов, пористости, минерального состава пород и степени их во-донасыщения. Сорбция характеризует комбинацию процессов физико-химического взаимодействия между растворенными веществами и/или коллоидами и «стабильной» твердой матрицей пород. Степень взаимодействия в системе «радионуклид-сорбент» количественно определяется коэффициентом эффективного сорбционно-го распределения {K¡¡) (Hiester, Vermeiden, 1952). Иногда рассмотрение сорбционных механизмов задержки радионуклидов называется «К*- концепцией». Наиболее уязвимым ее звеном является то, что Ka характеризует кумулятивный эффект всех процессов взаимодействия между радионуклидами и сорбентами, происходящими в химически разнородном флюидном потоке, но не учитывает проявления таких сорбционных механизмов, как адсорбция, выпадение осадка или ионный обмен (Alexander, McKinley, 1992). Значения Ka в лабораторных условиях определяются, как правило, на раздробленных образцах пород и минералов. Очевидно, что в лаборатории невозможно воспроизвести все условия, существующие in situ. Поэтому экспериментально установленные значения К<* всегда и неизбежно завышены. Эти значения используются для моделирования процессов миграции радионуклидов, хотя очевидно, что они существенно отличаются от реальных в связи с широким развитием в толще пород минерализованных разломов и трещин.

В первом приближении и при отсутствии информации по значениям Kd задерживающая способность пород нередко оценивается с помощью так называемого фактора задержки (Rf) (Freeze, Cherry, 1979), который зависит от плотности и эффективной пористости породы и в оощем случае связан с коэффициентом распределения. Данный подход также имеет ограничения, так как используется только в случае, если сорбция рассматривается (по крайней мере, это должно быть оговорено) как линейная, быстро протекающая и обратимая. В реальных геологических условиях такую ситуацию встретить крайне сложно. Тем не менее, с учетом этих ограничений и при наличии данных по плотности и эффективной пористости фактор задержки определяется для любого типа пород. Расчеты показывают, что значения Rf и эффективной пористости для любого выбранного значения Kd находятся в экспоненциальной зависимости. Однако в одну петроплотностную группу нередко попадают породы, существенно отличающиеся по эффективной пористости, проницаемости, составу минерального выполнения и структуре порового пространства.

К тому же задерживающая способность пород в условиях их естественного залегания зависит не только от морфоструктурных особенностей, фильтрационных параметров и физико-химических свойств минерального выполнения элементов системы «трещина-околотрещинное пространство», но и от степени их деформационных преобразований. Частота, продолжительность и направленность этих преобразований определяется вариациями параметров внешнего поля напряжений. Например, тектонические смещения, происходящие вдоль трещины, приводят к при-открыванию расположенных в плоскости ст1а2 сегментов, развитию в них обстановки декомпрессии (снижение уровня эффективных напряжений на фоне ориентированного стресса) и формированию узких каналов, обладающих повышенной гидравлической проводимостью для восходящих (нагретых) флюидов или нисходящих (холодных и обогащенных кислородом) водных потоков. Эти каналы характеризуются форсированным минералообразованием, ионным обменом и сорбцией на поверхности -минеральных агрегатов, но относительным снижением скорости диффузии вещества в околотрещинное пространство. При полном запечатывании (кольмата-ции) внутритрещинных полостей минеральными агрегатами ведущим механизмом транспорта вещества становится его диффузия в микропоры, а также сорбция и ионный обмен в сопровождающих основной канал микротрещинах. Однако состав минерального выполнения может быть разным. В случае развития пористых низкоплотных иллита, смектита или монтмориллонита, процессы задержки радионуклидов (например, сорбции) сосредотачиваются в полости трещины, а околотрещинное пространство играет подчиненную роль. В случае же запечатывания полости плотной малопористой минерализацией, например кварцем, ведущая роль в задержке радионуклидов принадлежит нарушенному окопотрещинному пространству.

Таким образом, сценка задерживающей способности г.оред по отношению к радионуклидам, обладающим различной мобильностью, с использованием значений коэффициента распределения или фактора задержки еще очень далека от совершенства. По мнению автора, решение этой проблемы лежит в плоскости детального анализа петроструктурных, минерапого-геохимических и физико-химических преобразований в тектонодинамической системе «трещина — околотрещинное пространство», включая сравнительное изучение деформационных преобразований и характера изменения структуры порового пространства пород с одновременными измерениями концентраций радионуклидов в подземных водах и в пробах пород вдоль профилей на различном расстоянии от флюидопроводящих разрывных нарушений.

Наряду с пространственными взаимоотношениями и морфогенетическими особенностями разномасштабных неоднородностей (макро- и микротрещины, поровые

каналы, межзерновые границы), по которым происходит течение флюидов, принципиальное значение для формирования фильтрационно-транспортных моделей имеет фактор времени. В связи с этим получило развитие «реакционное транспортное моделирование в природных системах», включая пористые и трещинно-пористые геологические формации. В последнем случае подчеркивается, что для объяснения физико-химических процессов необходимо выделять дискретные области, в которых состояние систсмы зависит от времени взаимодействия между твердой, жидкой и газообразной фазами. Для реализации такого подхода используется модель аппроксимированного квазистационарного состояния природной системы (УсМпег е1 а!., 1996). Аппроксимация основана на допущении, что гидротермальные растворы или метеорные воды, проникающие в трещинно-поровое пространство, взаимодействуют с ним в течение такого периода времени, который необходим для достижения равновесия в системе «вода - порода» с формированием соответствующего минерального парагенезиса. Для этого колонна пород разбивается на элементарные объемы (блок /, /+1.„, /'+/?), через которые постепенно поднимаются нагретые флюиды или фильтруются кислородсодержащие метеорные воды. Для расчета скоростей химических реакций, минералообразования и термодинамического состояния системы в каждом блоке используются различные базы данных и пакеты программ. Очевидно, что при наличии исходных минералого-геохимических данных, продуманной концепции и соответствующего программного обеспечения расчетные реакционные модели могут быть успешно реализованы.

Однако, как уже отмечалось, фильтрационно-транспортные процессы в тре-щинно-пористой среде массивов кристаллических пород протекают на фоне обусловленного различными причинами и меняющегося во времени стресса. Это сопровождается перестройкой каркаса разрывных нарушений, образованием минеральных агрегатов в полостях трещин, изменением морфологии поровых каналов в околотрещинном пространстве и т.д. В итоге вариации фильтрационных свойств пород при воздействии напряжений могут сопровождаться изменением условий транспорта радионуклидов, а в сочетании с физико-химическими преобразованиями минерального выполнения трещин и околотрещинной матрицы и к замене одних транспортных механизмов другими.

В данном контексте принципиальное значение приобретает изучение влияния масштабного эффекта на фильтрационные свойства разрывных нарушений, составляющих систему «трещина — околотрещинное пространство». Для этого автором предлагается применять сочетание структурно-геологических, петрофизических и микроструктурных методов изучения фильтрационных свойств пород на масштабных уровнях скважины, образца керна и прозрачно-полированного шлифа. Данный подход разработан на примере разреза скважин участков «Итатский» и «Каменный» Нижнеханского массива в района П<К (Рйгоу с! а!., 2003, 2004).

Массив расположен в южной части Енисейского кряжа и представляет собой вытянутый в СЗ направлении плутон, сложенный протерозойскими (920±50 млн. лет) гранитами, лейкогранитами, глагиогранитами, гракодморитами, кварцевыми диоритами, диоритами и их субщелочными аналогами. Гранодиориты, кварцевые диориты и диориты относятся к первой, а биотитовые граниты, адамеллиты, лейко-граниты и их субщелочные разности — ко второй фазе становления массива. Жильные породы представлены дайками первого (аплиты, пегматиты, гранит-порфиры) и второго (диоритовые порфириты, лампрофиры) этапов (Даценко, 1995). Общая площадь массива с учетом погребенной под чехлом юрских и четвертичных отложений части составляет -3500 км2. Гравиметрические исследования (Ключко, 1999) показали, что мощность массива может достигать 5 - 6 км.

На территории ГХК находится радиохимический завод, где длительное время перерабатывалось ОЯТ и происходило накопление ВАО (Laverov et al., 2000). В связи с этим возникла необходимость в выборе участка, пригодного для изоляции ядерных материалов. После проведения организациями Росатома, Росприроды и РАН рекогносцировочных изысканий, предварительного геолого-геофизического изучения и сравнительной оценки районов Нижнеканского массива были выделены участки «Итатский» («И») и «Кзменкий («К»), находящиеся в непосредственной близости от СЗЗ ГХК. Они рекомендованы (Anderson et al., 1998) к более детальному изучению с целью выявления полигона для строительства ПИЛ, на базе которой может быть создан пункт долговременного контролируемого хранения ОЯТ и/или могильник ВАО. На участках «И» и «К» в 1999 г. были пробурены скважины глубиной 500 м (1И-500) и 700 м (1К-700) соответственно. Керновый материал этих скважин явился объектом изучения фильтрационно-транслортных свойств пород.

Масштаб скважины. При документации керна скважин 1И-500 и 1К-700 отмечались все петрографические разновидности гранитоидов и породы дзйковых серий, описывался их минеральный состав, текстурные особенности, взаимоотношение между различными фациями, изучался характер и интенсивность метаморфических и тодротермально-метасоматических преобразований пород. Петрографическими исследованиями выявлены тектониты двух типов: 1) сформированные в высоко-среднетемпературных условиях метаморфизма и 2) связанные с последующими процессами околотрещинных низкотемпературных преобразований пород (Полуэктов и др., 2001). Определение трещинной проницаемости горных пород по материалам документации скважин сталкивается с тем обстоятельством, что трехмерное распространенна трещин неизвестно и экстраполяция полученных данных даже на околоскважинное пространство затруднена. В связи с этим возникает необходимость использовать подход, который объединил бы «эквивалентные» свойства (пористость и проницаемость) и геометрические параметры трещинных систем. Одна из таких моделей (Snow, 1988) основана на допущении, что изучаемый объем пород может быть охарактеризован бесконечным числом плоскостей трещин одинаковой ориентировки и геометрии, сгруппированных в ряд независимых популяций. При этом каждая популяция трещин формирует.эквивалентную дирекционную проницаемость, которая связана с кубом апертуры трещин и расстоянием между ними. Данный подход определения значений фильтрационных параметров трещин реализован в методике (Sausse et al., 2001), следуя которой при документации скважин 1И-500 и 1К-700 выделялись отдельные популяции трещин и для каждой популяции т определялись: количество трещин (Nm), расстояние между отдельными трещинами (плотность) (Sm) и средняя апертура трещин (Ат). Для каждой трещины к в системе т устанавливались: апертура (ат*), расстояние между трещинами (sm,k), угол падения по отношению к оси керна, морфология поверхностей, минеральное выполнение и следы перемещений на плоскостях трещин. На основе этих данных рассчитывался индекс трещинной флюидопроводимости (Kfj разреза пород. Поскольку изученный керн не был ориентирован относительно стран света, то вдоль вертикальных плоскостей образцов наносилась «линия матрицы» для «привязки» результатов всех последующих измерений. Если бы керн был ориентирован, что, заметим, практически никогда не делается в отечественной практике разведочно-буровых работ, то появилась бы возможность провести оценку изменения НДС пород с помощью стрейн-анализа.

Масштаб кернового образца. Документация скважин сопровождалась отбором образцов керна (в среднем через 5 м) для проведения детальных петрографических и минерально-химических исследований, а также для изучения фильтрационных свойств пород методом структурно-петрофизического анализа (Старостин, 1979).

Метод основан на выявлении взаимосвязи между упругими свойствами и структурой горных пород. Исследования включали измерения скоростей ультразвуковых Р-волн в ориентированных образцах (дисках), восстановление индикатрисы скоростей в сухих и водонасыщенных условиях, построение разностных диаграмм, определение приращения скоростей Р-волн при насыщении и оценку упругой анизотропии пород. Форма индикатрисы и значения упругих параметров являются функцией минерального состава, текстуры и структуры порового пространства пород. В сухих образцах наиболее контрастные минимумы скоростей связаны с системами микротрещин, а максимумы обусловлены ориентировкой зерен минералов. В насыщенных образцах аномалии скоростей связаны только с ориентировкой зерен. На разностных диаграммах, полученных с помощью вычитания скоростей в водонасыщенном и сухом состоянии, максимумы прироста скоростей Р-волн соответствуют гидравлически активным системам микротрещин. Сравнительный анализ диаграмм позволяет рассчитать коэффициент анизотропии микротрещинного пространства, модуль трещинно-поровой пустотности, интенсивность проявления систем микротрещин. Методом гидростатического взвешивания постепенно насыщаемых образцов определялись эффективная пористость, условно-мгновенное водонасыщение и средняя интенсивность водонасыщения матрицы. Эти данные используются для определения (Бурмистров, Старостин, 2002) индекса флюидопроводимости матрицы породы (Кт).

Масштаб шлифа. Присутствие на микроскопическом уровне заполненных или частично заполненных минерализацией трещин свидетельствует о фильтрации флюидов в геологическом прошлом. Вдоль этих микротрещин формируются цепочки газово-жидких включений (ГЖВ), которые в практике структурно-геологических исследований получили название «плоскости газово-жидких включений (ПГЖВ)» (Roedder, 1984). Они являются структурными маркерам для выявления хронологии палеопроницаемости пород, реконструкции геометрии путей миграции флюидов и установления динамики изменения тсрмобаричэских и физико-химических условий (микротермометрия и рамановская спектроскопия) на различных этапах деформации геологических тел. Такая возможность обусловлена тем, что структурная организация ПГЖВ связана с этапами перестройки ТПН. С другой стороны, открытые микротрещины (ОТ) формируют пространство, доступное для современной фильтрации флюидов. Хронология, разеития ПГЖВ и ОТ и их пространственные параметры (простирание, угол падения) устанавливаются с помощью классического микроструктурного анализа (столик Федорова). Оптимизировать исследования помогает статистический анализ цифровых изображений шлифов, изготовленных из ориентированных образцов (метод Anima, Lespinasse et al., 2005). Этот метод, в создании которого автор принимал участие, позволяет установить длину и апертуру трещин, определить общую и/или дирзкционпучо пористость и проницаемость, а также рассчитать кооффициент флюидопроводимости микротрещинного пространства (Kmf)■ Исследования проводились на тех же образцах, для которых были определены значения индекса флюидопроводимости матрицы породы.

Основные результаты структурно-геологических, структурно-петрофизических и микроструктурных исследований в сочетании с петрографическими и минерально-химическими данными по породам участков «И» и «К» сводятся к следующему. Разрезы участков существенно различаются по петрографическим свойствам и минерально-химическому составу пород. Наиболее распространены и выдержаны по мощности на участке «И» - кварцевые диориты и диориты, а на участке «К» - лейко-граниты и граниты. Вмещающие породы подвержены метаморфическим и гидро-термально-метасоматическим, а также син- и эпигенетическим деформационным преобразованиям. Высоко-среднетемпературный метаморфизм амфиболитовой и

зеленосланцевой фаций проявлен в пределах зон мощностью до 50 м, где породы представлены гнейсами, плагиогнейсами, гранито-гнейсами и рассланцованными разностями эпидот-хпоритового состава. Наиболее широко в разрезах скважин развиты низкотемпературные околотрвщинны« гидротермально-мбтзсомзтическиб преобразования - хлоритизация, серицитизация, аргиллизация (каолинит, монтмориллонит и гидрослюда). Это находит отражение в вариациях фильтрационных параметров и упругих свойств пород.

Оценка фильтрационных свойств пород, проведенная на трех масштабных уровнях (скважина, образец керна, шлиф) с использованием комплекса полевой документации и лабораторных методов исследований, позволила в разрезах обоих участков выявить интервалы тектонически-ненарушенных слабопроницаемых пород и по три высокопроницаемые зоны, благоприятные для фильтрации потока подземных вод и транспорта радионуклидов. Структурный каркас проницаемых зон представлен сетью жил и прожилков кварца, карбоната, хлорита, сульфидов и глинистых минералов. Очень часто они совмещены в пространстве с зонами более ранних постмагматических и динамометаморфических преобразований пород. Детальная документация керна скважин позволила разработать геометрические модели популяций трещин и рассчитать их эквивалентные фильтрационные свойства, а также установить особенности распределения минералов трещинного выполнения, обладающих различной сорбционной емкостью по отношению к радионуклидам. Структурно-петрофизические исследования показали, что породы высокопроницаемых зон обладают наибольшей анизотропией фильтрационных и упругих свойств. Микрострукгурные исследования позволили оценить особенности структуры перового пространства в различной степени деформированных породах и рассчитать фильтрационные параметры популяций ОТ и ПГЖВ. Сопоставление данных по структуре порозого пространства, эффективной пористости и динамике водонасыщения показало, что в породах преобладает вторичная пористость и основными нарушениями для фильтрации флюидов в матрице являются системы связанных микроканалов в виде ориентированных межзерновых пор и микротрещин, возникших в результате тектонических преобразований пород. Сравнение микрострукгурных данных и материалов ультразвукового прозвучивания образцов выявило корреляцию между ориентировкой популяций гидравлически активных микротрещин и анизотропией скоростей Р-волн.

В целом установлена взаимосвязь между распределением в разрезах пород значений индексов трещинной (К» и матричной (Кп) флюидопроводимости. Эти данные могут быть использованы при планировании гидравлических (пакерных) и трассерных экспериментов в высокопроницаемых зонах. Результаты этих тестов создадут основу для концептуальных и расчетных фильтрационно-транслортных моделей в трещикно-перовой среде сравниваемых учзстхсз Нижнекансксго грани-тоидного массива в районе ГХК. Проведенные исследования показали необходимость детального изучения масштабных факторов, влияющих на фильтрацию подземных вод и транспорт радионуклидов, уже на ранних этапах выбора полигонов для изоляции BAO и ОЯТ.

Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРЕЩИННО-ПОРОВОЙ СРЕДЫ В СВЯЗИ С ОЦЕНКОЙ УСЛОВИЙ МИГРАЦИИ УРАНА В ОКИ СЛИТЕЛЬКОЙ ОБСТАНОВКЕ

Четвертая глава работы посвящена рассмотрению вопросов, отражающих специфику изучения фильтрационной способности трещинно-поровых кристаллических пород на основе результатов полевых исследований и лабораторных

экспериментов в контексте оценки условий миграции и накопления урана в нестационарных окислительно-восстановительных условиях и приложения этих данных для качественного описания и числового моделирования процессов транспорта ак1 инидин в трещинно-пористых породах. Эти вопросы рассмотрены на примере разреза вулканитов кислого состава (игнимбритов), вскрытых карьером Тулукуевс-кого уранового месторождения, расположенного в Стрельцовском рудном поле в районе деятельности ОАО «ППГХО». Материалы четвертой главы - логическое продолжение направлений исследований, отраженных в третьей главе, и также составляют основу для формулирования второго тезисного положения.

Неотъемлемая часть анализа долговременной безопасности объектов изоляции BAO и ОЯТ - изучение урановых месторождений как природных аналогов тех процессов и явлений, которые могут происходить в хранилище/могильнике. Во многих случаях использование природных аналогов ограничивается качественным описанием этих процессов, но наиболее значимый результат - количественные данные, которые позволяют протестировать и усовершенствовать концептуальные термодинамические модели, расчетные фильтрационные и миграционные модели, минералогические, геохимические и термодинамические базы данных, а также вводные компьютерные коды. Применительно к массивам кристаллических пород наиболее продолжительные аналоговые исследования проводились в гранитах, щелочных и кислых вулканитах. Первые - это месторождение Эль Беррокал (Испания), расположенное в герцинских гранитах, рассеченных жилами кварца с уранинитом и коф-финитом, и месторождение Палмотту (Финляндия), где U-Th минерализация в виде дисперсных включений присутствует в дайках микроклиновых гранитов, секущих до-кембрийские гранито-гнейсы. Аналогом долговременного хранения ОЯТ в среде щелочных вулканитов является U-Th минерализация в кальдере Посос де Кальдас (Бразилия), вмещающей мезозойские фонолиты и нефелиновые сиениты. Изучение U-Mo руд в риолитовой формации Нопал в районе Сьерра де Пенья Бланка (Мексика) позеолило во многом продвинуться в понимании динамики процессов разрушения ОЯТ, которые могут произойти в хранилище Юкка Маунтин (Невада, США), расположенном в аналогичной толще кайнозойских спекшихся туфов.

Тем не менее, анализ опубликованных материалов показывает, что созданные на основе аналоговых исследований фильтрзционно-транспортные модели практически не отражают пространственно-временных взаимосвязей между полями напряжений, механизмами деформации пород, тектоническими движениями в каркасе разрывных нарушений и перемещением урансодержащих флюидов, т.е. динамическую составляющую процессов, происходящих в геологической среде и определяющих условия миграции радионуклидов. Этот недостаток связан с тем, что расчёты переноса радионуклидов основызаются на данных о современном состоянии разрывов и их гидравлических сэсйстсах, которые напрямую зависят от морфологии стемок и ширины раскрытия трещин, их извилистости, сопряженности и т.д.. Долгосрочный прогноз влияния пространственно-временных изменений в полях напряжений на условия переноса радионуклидов за счёт геомеханичсских процессов (например, перестройка каркаса разрывных нарушений как отклик на природное или техногенное воздействие) обычно не проводится. Нередко не соблюдается и условие подобия, когда структурно-геологические, минералого-геохимические, гидрогеохимические и др. параметры аналога должны быть близки к параметрам среды, в которой предполагается изолировать БАО и ОЯТ. Наряду с этим, геометрические размеры аналогов и прототипов, а, следовательно, и масштаб прогнозируемых процессов, как правило, отличаются. Так, например, по минерально-петрохимическому составу вмещающих пород и гидрогеохимии подземных вод наиболее близким природным аналогом хранилища Юкка Маунтин является U-Mo месторождение Нопал-

I. Здесь долгое время велись аналоговые исследования, но в связи с незначительным масштабом месторождения работы были ограничены участком 50x50 м (Prikryl et al., 1997). Это не позволило в полной мере выяснить роль таких явлений,- происходящих в масштабе хранилища Юкка Маунтин и принципиально важных для оценки его долговременной безопасности, как различия в механизмах миграции урана в зонах аэрации и слабого водопритока и накопление урана на проницаемых реакционных барьерах (ПРБ).

В данном контексте вулканиты кислого состава (игнимбриты), вмещающие Ту-лукуевское месторождение, являются очень близким петрохимическим аналогом туфов Юкка Маунтин, а масштабы самого месторождения, вскрытого карьером и подземными горными выработками, позволяют провести практически весь комплекс работ по изучению условий миграции урана как в окислительной обстановке зоны аэрации (вадозной зоны), так и в восстановительных водонасыщенных условиях глубоких горизонтов (Petrov et а!., 2001, 2003-2005). Работы были сосредоточены на вадозной зоне месторождения, вскрытой карьером. Исследовательская группа, действия которой координировал автор, объединяла специалистов ИГЕМ РАН (Полуэк-тов В.В., Андреева О.В., Омельяненко Б.И., Голубев В.Н., Дубинина Е.О., Карташов П.М., Дойникова О.А., Мальковский В.И.) и МГУ (Бурмистров А.А.).

Тулукуевское жильно-штокверковое месторождение - одно из крупнейших ура-новорудных объектов в мире. Оно расположено в центральной части Стрельцовского рудного поля, совмещенного в пространстве с Тулукуевской ВТС, сформированной в процессе позднемезозойской (J3-K1) тектоно-магматической активизации региона. Месторождение приурочено к Тулукуевской зоне разломов СЗ простирания. Геологическое строение, петрография и петрохимия пород, минерально-химический состав руд и другие особенности месторождения детально рассмотрены в многочисленных работах (Белова, Федоров, 1977; Андреева, Головин, 1979; Вольфсон и др., 1984; Ищукова и др., 1998 и др.). Разрез представлен (снизу вверх) покровом трахидацитов, покровом базальтов, горизонтом осадочно-туфогенных пород и комплексом фельзи-товых риолитов (игнимбритов), где сосредоточено до 85% уранового оруденения. Верхние части рудных тел залегают на глубине 30 - 50 м от современной поверхности. Покров трахидацитов мощностью до 110 м в основании сложен туфопесчаниками и туфами, центральная часть - флюидапьными и массивными трахидацитами, а верхняя - псаммитовыми туфами. Покров базальтов (до 25 м) представлен массивными и миндалекаменными разностями, а также лавовыми брекчиями базальтов. Горизонт осадочно-туфогенных пород (общая мощность до 40 м) сложен гравелитами, песчаниками, туфами и туфопесчаниками, обогащенными обуглившимися растительными остатками и линзами углистого материала. Эти породы вмещают до 25 % уранового оруденения, сосредоточенного в пластообрззных рудных телах, что характерно для месторождений в вулканических постройках данного региона (Petrov et а!., 2002). Мощность комплекса игнимбритов достигает 200 м. Его основание сложено туфами риолитового состава, которые при выклинивании сменяются вулканическими стеклами (перлитами). Залегающий на туфах покров риолитов полого погружается в ЮВ направлении. Риолиты представлены в основном полосчато-флюидальными и массивными разностями, связанными взаимными переходами. Наиболее молодыми образованиями являются малочисленные дайки базальтов. Покров риолитов повсеместно перекрыт современными суглинками с различным количеством щебня. На площади месторождения проявлены крутопадающие разломы, зоны дробления, брекчирова-ния и трещиноватости СЗ, субмеридионапьного и СВ направлений, а также пологоза-легающие срывы вдоль контактов горизонтов пород. Самостоятельную группу структур образуют трещины контракционной отдельности. Тектонические нарушения СЗ (310 - 320 ) простирания образуют Тулукуевскую зону разломов шириной до 800 м.

Основными ее структурами являются разломы 1А и 5А. Они контролируют положение жипьно-штокверкового оруденения «Первой» и «Пятой» рудоносных зон.

. Исследования проводились в пределах «Первой рудоносной зоны», вскрытой в СЗ борту карьера. На семи уровнях (бермах карьера) были определены профили опробования (от ПО-А на абс. отметке +710 м до ПО-G на гор.+520 м) протяженностью 200 м (А, В, С и D) и 120 м (Е, F и G). На профилях через 10 м размещались базовые точки опробования (ТО). В каждой ТО (с координатами X, Y, 2) проводились следующие мероприятия: 1) поинтервальная геолого-структурная (фото)документация, 2) определение морфогенетических особенностей, элементов залегания, апертуры и минерального выполнения трещин с последующим статистическим анализом данных, 3) изучение состава, характера и степени гидротермапьно-метасоматических преобразований пород, 4) отбор образцов пород и руд для петрографических, минерально-химических, петрофизических, радиографических и изотопно-геохимических исследований. В течение полевых сезонов 2000 - 2004 г.г. в десяти источниках отбирались пробы трещинно-жильных вод для изотопно-геохимических и гидрогеохимических исследований. Для сравнения отбирались пробы атмосферных осадков. В целом размеры изученного блока, включая профиль длиной 250 м в штольне гор.+520 м, пройденной субпараллельно плоскости разлома 1А, составили -200x200x200 м. Рудное тело, используемое как модельное, расположено на гор.+ббО м (ПО-В).

В контексте выявления путей и условий миграции урана принципиальное значение имеют данные по строению каркаса гидравлически активных нарушений и структуре порового пространства пород. Использовались два основных подхода к формированию моделей фильтрационно-трзнспсртных процессов в системе «трещина - околотрещинное пространство»: «геометрический» (Snow, 1968) и «статистический» (Dullien, 1979). Оба подхода основаны на полном трехмерном описании геометрии трещин (около 4000), включая ориентировку, длину, апертуру, плотность популяций и т.д. В рамках первого подхода установлено распределение в пространстве узлов и линий пересечения плоскостей трещин. Они группируются в трубообразные каналы, благоприятные для миграции растворенных веществ в потоке нисходящих метеорных вод при имеющемся градиенте давления. Трехмерные модели распределения популяций трещин в рамках второго подхода строились на основе допущения, что трещины обладают определенным радиусом в зависимости от значения апертуры. Трещины предстаапялись в виде дисков, центры диаметроз которых помещались на линии траверзов ПО. Моделирование проводилось совместно с Дж. Саус (Нанси, Франция) с использованием пакета программ GoCAD. Анализ полученных данных показал, что в вадозной зоне основным каналом дренирования потока метеорных вод является зона разлома 1А. Также имеется второстепенный канал - расположенная по диагонали к плоскости разлома зона повышенной плотности и апертуры трещин. В сочетании они образуют V-сбрззную структуру, наиболее благоприятную для миграции гидротермальных растворов в геологическом прошлом и по которой в настоящее время происходит «стягивание» потока метеорных вод к нижней части карьера. Одновременно с этим в толще пород развиты две основные популяции крупных проницаемых трещин, образующих сеть ромбовидных блоков (кластеров) со сторонами протяженностью -8 м. Внутриблоковое пространство рассечено популяциями более мелких по апертуре и, следовательно, менее проницаемых для флюидов второстепенных трещин.

В игнимбритах ярко выражена зональность (внешняя, промежуточная и внутренняя зоны) гидротермально-метасоматических изменений, отражающая суммарный эффект проявления нескольких стадий минералообразования: предрудного кислотного выщелачивания, рудосопровождающих прожилково-метасоматических преобразований и пострудная [кварц-карбонатные прожилки и аргиллизация (као-

линит, смектит)] (Андреева, Головин, 1998). По данным О.В. Андреевой среди широко представленных глинистых минералов и карбонатов некоторая часть глинистых может иметь гипергенное происхождение, а часть карбонатов растворена и переотложена. Минеральная зональность контролируется крутопадающими зонами разлома 1А и повышенной плотности и апертуры трещин.

В СЗ борту карьера локализованы два типа первичных руд: настурановые (урановые), связанные с зоной разлома 1А (гор.+ббО м, ПО-В), и настуран-молибденитовые (уран-молибденовые), приуроченные к зоне пологого срыва на контакте игнимбритов и подстилающих туфов (гор.+520 м, ПО-С). Наиболее распространены вкрапленные и прожилковые текстуры. Первичные руды интенсивно окислены с образованием гнездообразных скоппений, корочек и пленок вторичных минералов. Процессы древнего окисления привели к формированию трех горизонтально залегающих субзон (сверху вниз): выщелачивания (ПО-А+В+С), полного окисления (ПО-О+Е) и неполного окисления (ПО-Р+в). На уровне ПО-С (гор.+640 м) расположен горизонт вторичного уранового обогащения, который пространственно совпадает с уровнем зеркала подземных вод, существовавшим до начала отработки карьера. Древняя зона окисления принадлежит к гидроксидно-силикатному типу (Белова и др., 1981), для которого характерен постепенный переход первичных руд в гидроокислы и силикаты урана с сохранением морфологии выделений первичных руд в последовательности: и^Ог+Ог+НгО (настуран)-* иУ1Оз'пНгО+Ме (гидронасту-ран)-» МеиУ|207 пН20+3! (гидроокислы)-» Ме^ОгДОЮ^г'пНгО (силикаты), где Ме = Са, РЬ, Ва, Бг, К, №. С учетом этого урановая минерализация по времени формирования разделена на три группы: 1) гипогенные (преобладает настуран и присутствует тухопит (установлен П.М. Карташовым), содержащий до 50 вес.% углерода и более 10 вес.% урана), 2) минералы древней зоны окисления (гидронастуран и ур-гит характеризуют начало процесса, а уранофан его завершение), 3) вторичные (наложенные) минералы (уранофан, хейвеит, калькурмолит, либегит? и т.д.).

Гипергенные изменения пород сопровождались образованием Ре-Мп оксигид-роксидов (гётит, Ре-вернадит, гематит, протоферригидрит и ферригидрит) (данные В.В. Полуэктова и А.В. Сивцова). Гётит и Ре-вернадит имеют ареальное распределение (ПО-А+В). Гематит в верхней части разреза обладает ареальным развитием, которое к нижней части (ПО-С+О) постепенно меняется на линейное. Агрегаты про-тофорригцдрита и ферригидрита присутствуют в самой нижней части карьера (ПО-О). Степень окисления железа (по Ре(Ш)/Ре(11)) на разных горизонтах отличается: в верхней части карьера процесс окисления Ре(!!) практически завершен, на средних уровнях он близок к завершению, а в нижних - находится на начальной стадии.

Метеорные воды (аналитики Л.С Шулик и Н.И. Ганина) обладают высоким окислительным потенциалом (ЕЬср=+490 т\/) и умеренной кислотностью (рНср-5.5), которая возрастает со временем. Общая минерализация метеорных вод варьирует от 36.2 мг/л (снег) до 41.7 мг/л (дождевые осадки). Концентрации урана со временем не меняются, но в пробах снега они выше (1.8 10"а г/л), чем в пробах дождевых осадков (2.0-9.8 10"7 г/л). Трещинно-жильные воды изученного блока имеют карбонат-сульфат-хлорид-натровый состав, где карбонат и сульфат могут меняться местами. Воды обнаруживают тенденцию постепенного смещения из близнейтрально-щелочной (рНср=7.8, 2001 г.) к нейтральной (рНср=7.4, 2004 г.) области, становясь при этом более окисленными (от ЕИср=+394.5 тУ, 2001 г. до ЕЬср=+471.5 т\/, 2004 г.), т.е. трещинно-жильные воды становятся все более близки к метеорным по степени окисленности. Это может быть связано с уменьшением концентраций растворенного кислорода в водах, проникающих в трещинно-поровую среду, и/ипи с истощением реакционной способности Ре-Мп оксигидроксидов. Минерализация трещин-но-жильных вод и концентрации урана (Сцср=4.7 10"3 г/л) варьируют в зависимости

от годового уровня атмосферных осадков. Вероятнее всего, что в сложившейся окислительно-восстановительной обстановке вадозной зоны месторождения миграция урана осуществляется трещинно-жильными водами в составе таких карбонатных соединений, как иОгССОз^4" и/или и02(С0з)22"-

Концентрации урана (по данным В.Н. Голубева) и значения б180 (по данным Е.О. Дубининой) в породах изменяются в зависимости от гипсометрического уровня и положения относительно гидравлически активных нарушений. Концентрации урана возрастают к нижним частям разреза. В зоне динамического влияния разлома 1А общая концентрация урана снижается, а по мере удаления от нее возрастает. Наиболее ярко это проявлено на нижних горизонтах карьера, а на верхних картина более сглаженная. 51вО имеет одинаковые значения в зоне разлома 1А вне зависимости от гипсометрического уровня. На удалении от него величины 51sO могут возрастать или уменьшаться в зависимости от наличия или отсутствия крупной флюидо-проводящей трещины. Профили изотопного состава кислорода указывают на то, что процесс преобразований пород всех уровней карьера происходил по связанной системе разрывных нарушений, а также на долгую (более одной стадии) историю взаимодействия в системе «флюид-порода».

Установлены восстановители урана различного генезиса: повышенные (до 0.4 вес.%) концентрации органического вещества (Copa, аналитик С.И. Коган) в породах вдоль зоны разлома 1А, углерод в урановых минералах (тухолит), а также прото-ферригидрит и ферригидрит. Образование последних вероятнее всего связано с активностью микроорганизмов (Чухров и др., 1975). Предполагается, что в зонах интенсивно нарушенных и обогащенных восстановителями пород формируются ПРБ, где создаются локальные восстановительные условия на фоне окружающей окислительной обстановки. На этих барьерах происходит задержка U(VI), растворенного в трещинно-жильных водах, и перевод его в слабоподвижную U(IV) форму. Если U(VI), содержащийся в легкорастворимых карбонатных соединениях, в окислительных условиях мигрирует в коллоидной форме, то в восстановительной обстановке ПРБ, создаваемой Fe-Mn оксигидроксидами, органическим веществом и продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, должно происходить его перераспределение с образованием сорбированных форм и вторичным урановым минера-лообразованием. В определенной мера это подтверждается данными радиографических исследований, проведенных В.В. Полуэктовым. В матрице пород повышенные концентрации урана приурочены к границам зерен акцессорных и внутренним частям таких сорбционно-емких минералов, как оксигидроксиды Fe, Мп и Ti, лейкок-сеноподобный агрегат и железистый хлорит, а также к плоскостям выполненных этими минералами микротрещин. Наиболее интенсивное перераспределение урана в системе «трещина-околотрещииное пространство» происходит в процессе эпигенетических преобразований пород под алия! ihsm метеорных вод. При этом концентрации урана з околотрещинном пространстве возрастают с глубиной, но сини всегда меньше, чем в минеральных агрегатах, развитых на стенках гидравлически активных трещин. На характер перераспределения урана такжа оказывает влияние морфология порового пространства матрицы пород. Методами оптической микроскопии, свободного водонасыщения и центрифугирования (по данным A.A. Бурми-строва) установлено, что в зонах динамического влияния трещин преобладают связанные каналы щелевидной формы, а на удалении - поровые каналы бутылочной формы, которые практически не обезвоживаются при центрифугировании из-за капиллярного эффекта и низкой скорости фильтрации в сужениях.

Таким образом, получены практически все основные параметры, необходимые для моделирования процессов миграции урана в потоке метеорных вод с применением подхода квазистационарного состояния среды: аппроксимированный каркас

трещин, минерально-химический и гранулометрический состав пород и руд, гидрогеохимия метеорных и трещинно-жильных вод, содержание в них урана и значения окислительно-восстановительного потенциала и т.д. Для этого колонна пород расчленяется на элементарные объемы (блок /,..., блок /+6), через которые писчеиннно просачиваются метеорные воды. Однако такая модель представляет собой существенное упрощение процессов, происходящих в вадозной зоне и влияющих как на скорость продвижения современного фронта окисления, так и на миграцию и накопление урана. Основные из них: 1) сближенность основного и второстепенного каналов фильтрации метеорных вод, обеспечивающих их стягивание в нижней части разреза, 2) интерференция горизонтально расположенных субзон древней зоны окисления и вертикальных зон гидротермально-метасоматических преобразований пород, 3) изменение фильтрационных параметров пород в зависимости от степени их эпигенетических изменений, 4) присутствие различных восстановителей урана и формирование локальных восстановительных условий в блоке окисленных пород, 5) вариации в характере распределения и содержаниях урана в матрице пород на различном расстоянии от гидравлически активных нарушений, 6) интенсификация процессов современного окисления и изменение условий миграции урана в связи со вскрытием карьера и понижением зеркала вод в процессе его отработки.

Поэтому автором предложено совместить модели минеральной зональности с моделями распределения плотностей и апертур трещин. В этом случае разрез разбивается на вертикальные блоки с различными фильтрационно-емкостными параметрами пород. Для определения физико-химических условий в каждом блоке может быть применен подход аппроксимированного квазистационарного состояния, что позволило бы выявить специфические черты процессов миграции и накопления урана, а затем интегрировать полученные данные в обобщенную модель. Эта модель могла бы способствовать решению такой задачи, как увеличение сырьевой базы за счет поисков и разведки новообразованных (переотложенных) рудных концентраций на Тулукуевском месторождении и других объектах Стрельцовского рудного поля. К тому же оценка поведения квазиизотропных по составу и свойствам объемов пород в тектоническом поле напряжений приблизила бы к решению одного из принципиальных вопросов в моделировании фильтрационно-транспортных процессов, который заключается в том (Tsang et al., 2000), что в расчетных моделях пока не удается учесть влияния деформаций на физико-химические преобразования в межтрещинном пространстве кристаллических пород.

Глава 5. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ПЕТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД В СВЯЗИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ BAO И ОЯТ

Пятая глава пссвящонз рассмотрению методических аспектов лабораторных структурно-петрофизических исследований, направленных на определение характера вариаций петрофизических свойств образцов пород в зависимости от степени их деформационных и минерально-химических преобразований, а также как функции водонасыщения и расстояния от флюидопроводящих разрывных нарушений для установления особенностей фильтрационно-транспортных процессов в системе «трещина - околотрещинное пространство» и характера возможных термо-гидро-механических и химических (ТГМХ) изменений пород в условиях ближнего поля могильника/хранилища BAO и ОЯТ. Объекты исследований - коллекции образцов пород территории ПО «Маяк» (> 450 шт.), участков «Итатский» и «Каменный» Нижнеканского гранитоидного массива в районе ГХК (> 250 шт.) По материалам пятой главы формулируется третье тезисное положение.

Основы структурной петрофизики были разработаны М.В. Гзовским, Б.П. Беликовым, Н.Б. Дортман, В.И. Старостиным, Л.И. Звягинцевым, Ю.Н. Николаевым, В.Д. Парфеновым, Е.И. Паталахой, Ю.А. Розановым, Г.Ф. Яковлевым и другими исследователями, которые определяли изучение вариаций физико-механических свойств пород в качестве неотъемлемой части геолого-структурных и тектонофизических изысканий, а также физического моделирования деформаций, происходящих в геологической средэ на различных этапзх тектогенззэ.

Струетурно-петрофизический анализ получил свое развитие как метод изучения условий формирования рудных полей и месторождений (Старостин, 1979). Он предназначен для выявления роли физико-механических свойств пород в локализации оруденения и основан на детальном геологическом картировании объектов, включая изучение объемной анизотропии физических и механических свойств пород и руд, их трещиноватости и микроструктурных характеристик, а также тектоно-физического состояния. Поскольку эти параметры необходимы для долговременной оценки изоляционных свойств кристаллических пород, то основные подходы, реализуемые в структурно-летрофизическом анализе, полностью приложимы к решению вопросов безопасного размещения BAO и ОЯТ.

Наряду с этим изучение структурно-петрофизических свойств кристаллических пород применительно к изоляции BAO и ОЯТ имеет свою специфику. Она заключается в том, что на основе палеореконструкций и данных по современному составу, свойствам и состоянию массива, необходимо осуществить прогноз изменения таких его «эффективных» параметров, как напряженное состояние и механика пород, их минерально-химический состав и петрофизические свойства, гидродинамика и гидрогеохимия подземных вод и т.д. Этот прогноз осложняется целым рядом обстоятельств, включая: 1) специфику самих процессов миграции радионуклидов в потоке подземных вод, фильтрующихся в трещиино-поровой среде кристаллических пород, 2) трансформацию фильтрационно-транспортной способности систем трещин и по-ровых каналов при естественном или техногенном изменении напряженно-деформированного состояния пород, 3) модификацию фильтрационно-транспорт-ных условий при смене температурного режима в районе подземного сооружения при изоляции теплогенерирующих BAO.

Петрофизические свойства пород изучаются как в их естественном залегании, так и в лабораториях. В естественном залегании определяются современные свойства и состояние гюрод. Для этого в основном используются методы скважинной геофизики (электрический, акустический, сейсмический, гамма-метрический и другие виды каротажей). Механические свойства пород и значения компонент действующего поля напряжений определяются методами гидроразрыва, перебуривания, разгрузки и др. Эти методы применяются практически на всех стадиях изучения массивоз пород, где предполагается изоляция BAO и ОЯТ.

В лаборатории в образцах пород определяются плотностные, фильтрационно-емкостные, упругие, механические, теплофизические, магнитные, электрические и другие параметры. Приложимость этих данных для анализа современных свойств и состояния пород имеет ряд очевидных ограничений: 1) в лаборатории невозможно полностью воспроизвести условия естественного залегания пород; 2) после выемки из этих условий в образцах происходит релаксация внутренних напряжений, которая приводит к трансформации петрофизических свойств, например, пористости; 3) моделирование процессов, протекающих в крупных неоднородностях породного массива, неизбежно основывается на данных локального опробования. Тем не менее, результаты экспериментов на статистически значимом количестве образцов используются для выявления вариаций значений свойств отдельных типов пород, установления корреляционных связи между различными петрофизическими параметрами и

анализа результатов скважинных геофизических изысканий. К тому же в ряде лабораторий проводятся тесты при Р-Т условиях, наиболее приближенных к состоянию пород in situ, что позволяет моделировать процессы изменения свойств пород во времени. Сочетание натурных и лабораторных экспериментов в целом позволяет получить данные, необходимые для прогноза возможного изменения состава, свойств и состояния пород.

В течение последнего десятилетия пропгоз пространственно-временных вариаций «эффективных» параметров осуществляется на основе анализа ТГМХ преобразований пород в ПИЛ. Результаты воспроизведения ТГМХ процессов in situ имеют принципиальное значение для оценки уровня безопасности подземных объектов по изоляции BAO и ОЯТ в геологических формациях различного типа. Применительно к кристаллическим породам изучение ТГМХ механизмов проводилось ранее и реализуется в настоящее время в рамках долговременных тестов в таких ПИЛ, как Аспё в Швеции (граниты), Уайт Шел в Канаде (граниты), Гримзель в Швейцарии (фэниты, гранодиориты), Олкилуото и ОНКАЛО в Финляндии (гранито-гнейсы), Юкка Маунтин (G-туннель и участок Бастед Батте) в США (кислые туфы), Камаиши и Мицунами в Японии (граниты).

Анализ опубликованных данных показал, что связующим звеном между различными ТГМХ процессами, происходящими в условиях ближнего поля могильника/хранилища теплогенерирующих BAO и ОЯТ, является пористость пород. Под пористостью понимается сочетание морфогенетических особенностей и параметрических характеристик структуры порового пространства, доступного для фильтрации флюидов и миграции растворенных в них веществ. Именно пористость предопределяет такие физические свойства пород, как прочность, пластичность, скорость распространения ультразвуковых волн, теплопроводность, электропроводность и т.д. Однако механизмы изменения структуры трещинно-порового пространства при взаимодействии напряжений, деформаций, тектонических перемещений и температур, а также влияние этих изменений на миграцию флюидов и транспорт радионуклидов до конца не выяснены. Это обусловлено нелинейным характером изменения параметров порового пространства в процессе объемной деформации, что во многом определяет эмерджентную природу трансформации петрофизических свойств пород в целом. Наиболее ярко нелинейность процессов и омерджентность свойств проявлены в системе «трещина-околотрещинное пространство», включая центральную часть (ядро) разрыва, зону его динамического влияния и ненарушенную вмещающую породу (протолит). В предыдущих главах было показано, что при определенных условиях НДС среды и ориентировки разрыва в ТПН примыкающие к его ядру зоны разрушения обладают наибольшей способностью к фильтрации флюидов. С другой стороны, околотрещинное пространство эффективно воздействует на мобильность радионуклидов из-за диффузии вещества и интенсивных физико-химических преобразований. Такая двойственность обусловлена тем, что на протяжении геологической истории ядро разрыва и сопровождающая его зона динамического влияния могут неоднократно выступать в качестве флюидопроводников или барьеров на пути миграции радионуклидов, а также выполнять комбинированную функцию канала - барьера. В этом контексте детальное изучение природы и характера анизотропии петрофизических свойств пород в сочетании с морфогенетиче-ским анализом поровых каналов в динамически меняющейся системе «трещина-околотрещинное пространство» - один из инструментов для усовершенствования подходов к реконструкции фильтрационно-транспортных процессов и прогноза ТГМХ преобразований пород при изоляции BAO и ОЯТ.

Изучение петрофизических свойств и ТГМХ преобразований пород при различных Р-Т параметрах и степени водонасыщенности матрицы, проведенное на

коллекции образцов метавулканитов СЗЗ ПО «Маяк», показало следующее. Изменения исходных вулканогеннсиэсадочных пород в процессе регионального зелено-сланцевого метаморфизма привели к формированию относительно однородной как по текстурам, так и по петрофизическим свойствам среды, что отчетливо проявлено вне зон дислокаций. В ненарушенном и невыветрелом состоянии породы обладают высокой плотностью, упругостью и прочностью, а также минимальными значениями эффективной пористости и проницаемости. Основные вариации петрофизических параметров и минерально-химического состава пород связаны с зонами разрывных дислокаций (линейное рассланцевание, милонитовые швы, зоны дробления и сближенной трещиноватости). Здесь широко развиты бластомилонитовые, катакласти-ческие и брекчиевые текстуры, что обусловило пониженную упругость и механическую устойчивость пород, но повышенные значения их пористости и проницаемости (Petrov et al., 2000). Наряду с этим, в зонах дислокаций широко проявлены такие минералы-концентраторы радионуклидов, как актинолит, эпидот, хлорит, карбонат, серицит, оксиды и гидрооксиды Fe и Ti.

Из всего объема полученных данных наибольший интерес в контексте оценки вмещающей среды для изоляции теплогенерирующих ВАО и ОЯТ представляют материалы по зонам расспанцевания, развитых, в частности, в разрезе скв. 8001-8002 площадки Марс-2. Сравнивались образцы из центральных частей дислокаций, зон их динамического влияния и протолита. Деформационное поведение интенсивно рас-сланцованных, слабо деформированных и массивных разностей андезито-базаль-товых порфиритов при ориентированном стрессе изучалось в процессе механических тестов (совместно с Л.И. Звягинцевым) в сочетании с измерениями скоростей Р- и S-волн в образцах. Установлено, что при одинаковой скорости сжатия (-0.15 МПз/ч) механизм деформаций, выраженный графиками в координатах «индекс деформации (VWVs) - время (0», существенно различается. Это зависит от минерального состава, размеров обломков, плотности цементирующей массы, а также от ориентировки сжимающих усилий по отношению к текстуре пород (Петров и др., 1S38). С учетом этого, для условий in situ наиболее опасна ситуация, когда усилия сжатия ориентированы параллельно плоскостям расспанцевания, вдоль которых происходит трансляция напряжений. Она сопровождается сдвиговыми перемещениями и деформациями хрупкого разрушения, что приводит к резкой потере механической устойчивости и увеличению трещинной проницаемости пород. Экспериментальное изучение анизотропии упругих свойств по скоростям Р- и S-волн в сухих и водонасыщенных условиях показало (Petrov et al., 2005), что массивные разности практически изотропны, а расслан-цованные - обладают максимальной анизотропией. Изотропность массивных метавулканитов определяется равномерно распределенными по матрице неориентированными порами и порокапиллярами, формирующими «структурную» пористость пород. В рассг.анцованных разностях анизотропия упругих свойств связана с дзумя системами микротрещин, одна из которых параллельна плоскости расспанцевания й выполнена пакетами глинистых минералов, а вторая представлена субпараллельными микросколами Риделя. Их сочетание образует «текстурную» пористость пород. При этом микросколы Риделя развиты под углом -90° к плоскости расспанцевания и по данным фильтрационных тестов (ИЭМ РАН) обеспечивают повышенные значения проницаемости пород в этом направлении. Эксперименты по акустической эмиссии (АЭ) при тепловых нагрузках до 300°С и времени нагревания 6 сут (данные P.M. На-симова и Н.И. Дьяура) показали, что частота, активность и интенсивность акустических событий определяются текстурой, минеральным составом и плотностью пород. Наибольший уровень активности АЭ характерен для интенсивно рассланцованных разностей метавулканитов, где тепловое воздействие приводит к необратимой перестройке порового пространства. Основная причина - неравномерное распределение

термоупругих напряжений в кристаллах минералов и на межзерновых границах, а также высвобождение межзерновой воды и пленочной воды в алюмосиликатных минералах (серицит, хлорит и эпидот). Эти данные согласуются с результатами изучения (Зарайский, Балашов, 19 fa) механизмов терморазуплотнения пород. Наряду с этим экспериментально установлено (Зарайский, 1994), что первичные минералы ме-тавулканитов (плагиоклазы, пироксены, оливины) при воздействии воды и температуры замещаются сорбционно-емкими эпидотом, хлоритом, гидрослюдами, смешан-нослойными и глинистыми минералами. Положительный объемный эффект реакций замещения обусловливает кольматацию трещинно-порового пространства, что в целом приводит к уменьшению проницаемости пород и увеличению их задерживающей способности по отношению к радионуклидам.

Таким образом, на примере толщи метавулканитов ярко проявляется сложная природа ТГМХ преобразований пород и многозначность факторов (негативных и позитивных), которые необходимо учитывать при прогнозе изменения их изоляционных свойств. Основные из негативных - это механическое разрушение и увеличение трещинной проницаемости пород при ориентированном стрессе, а также перестройка порового пространства и увеличение проницаемости при температурном воздействии. Позитивные - это широкое развитие в зонах дислокаций минералов-концентраторов радионуклидов, а также кольматация водонасыщенных трещинно-поровых каналов новообразованными сорбционно-емкими минералами при воздействии температур. Исходя из этого, традиционная точка зрения, что сам факт наличия зон дислокаций должен рассматриваться как отрицательный фактор при оценке изоляционных свойств пород, для конкретных геологических условий СЗЗ ПО «Маяк» не может быть принята без дополнительной аргументации.

Оценка изоляционных петрофизических свойств гранитоидов в районе ГХК проводилась на образцах керна скважин 1И-500 (участок «Итатский») и 1К-700 (участок «Каменный»), Данные по петроструктурным особенностям, минерально-химическому составу и фильтрационным свойствам вмещающих пород приведены в главе 3. Ниже обобщены результаты сравнительного анализа разрезов пород участков «И» и «К» по плотностным, упругим, пористостным, прочностным и тепло-физическим свойствам для оценки степени их неоднородности по изученным параметрам. Установлено, что плотность пород возрастает по мере увеличения их основности от лейкогранитов и гранитов (2.61 - 2.63 г/см3) до кварцевых диоритов и тоналитов (2.74 - 2.79 г/см3). Гранодиориты, гранито-гнейсы и гнейсы имеют промежуточные значения (2.65 - 2.75 г/см3). Плотность возрастает с глубиной на участке «К», а на участке «И» ее значения максимальны в центральных частях разреза.

Определение скоростей упругих (Р, S и R) волн в сухих и водонасыщенных образцах (совместно с P.M. Насимовым и Н.И. Дьяуром), позволили выявить отличия вмощающих пород по упругим параметрам. Для участка «К» характерны более низкие средние скорости Р-волн {VPeepn, = 4794 м/с) по сравнению с породами участка «И» (Vpeepm = 5589 м/с). На участке «К» коэффициент анизотропии Р-волн достигает 35 %, а на участке «И» - 8 %. К тому же образцы участка «И» имеют более высокие средние значения VpA/r по сравнению с участком «К». Интервалы увеличения анизотропии и снижения скоростей ультразвуковых волн в разрезах скважин совпадают с зонами повышенной трещиноватости, где наблюдаются наиболее высокие значения индексов трещинной (К/) и матричной (Km) флюидопроводимости. Сравнительный анализ показывает, что породы участка «И» более прочные (по данным механических тестов) и менее трещиноватые, чем породы участка «К».

Значения эффективной пористости варьируют от 0.14 до 0.95 %. Исключение -гипергенно измененные граниты (до 1.31 %) и метасоматически измененные лам-профиры (5.6 %). Пористость убывает с глубиной на участке «К», но породы здесь

характеризуются высокими значениями К/ и Km. Проницаемость пород (данные A.B. Жарикова) варьирует от n х 1СГ20 до n х 1СГ16 м2. Максимальные значения характерны для лейкогранитов, кварцевых диоритов и катаклазированных разностей пород, а также спессарютов. Б целом значения проницаемости на участке «К» значительно выше, чем на участке «И». При этом средние величины по всем разновидностям пород на участке «К» также выше, что особенно характерно для кварцевых диоритов - тоналитов и интенсивно метасоматически измененных пород, включая спессартит. Основная причина - различия в морфологии порового пространства, которое чутко реагирует на водонасыщение. Проведенное совместно с A.A. Бурмистровым сравнение скоростей Р-волн в сухих и водонасыщенных образцах, относящихся к различным минеральным группам, показало, что в первых скорости Р-волн снижаются при увеличении эффективной пористости, но при насыщении происходит нивелирование скоростей. При этом эффект насыщения в наибольшей степени проявляется в лейкогранитах, а в наименьшей - в кварцевых диоритах. Сочетанием методов структурно-петрофизического и микроструктурного (метод Anima) анализов установлено (Petrov et al., 2003), что количество фаз насыщения соответствует количеству популяций открытых или частично минерализованных микроканалов. Их ориентировка совпадает с ориентировкой максимумов прироста скоростей Р-волн. При повышении степени динамометаморфизма пород ориентировка плоскостей рассланцевания и открытых границ между минеральными агрегатами фиксируется на картине распределения амплитуд S-волн.

Для изучения характера изменения структуры порового пространства при воздействии температуры применена импрегнация образцов гелем попиметапмета-крипата, содержащего радиоактивный углерод в качестве трассера (14СРММА метод). Метод разработан в Лаборатории радиохимии Университета Хельсинки (Hellmuth et а!., 1992). Установлено, что при увеличении температуры от 22 до 150°С в массивных гранитах и диоритах происходит последовательное вскрытие микрока-напоз и общая пористость матрицы (по денситометрии авторадографий) возрастает практически в два раза. Наряду с этим в разгнейсованных разностях пород формируются линейные микрозоны, в которых локальная эффективная пористость на два порядка превышает общую пористость. Влияние температуры на поведение структуры порового пространства пород также изучалось (совместно с P.M. Насимозым и Н.И. Дьяуром) по параметрам акустической эмиссии (АЭ) и изменению скоростей Я-волн при циклическом (1 цикл до 130°С, 2 цикл до 250°С) нагревании образцов. Наибольшей активностью АЭ (максимумы в интервале температур 125 — 150=С) во втором цикле нагревания характеризуются лейкограниты, наименьшей - кварцевые диориты. Промежуточное положение занимают адамеллиты и тоналиты. Изучены механизмы перестройки порового пространства. Необратимые изменения связаны с релаксационными процессами вследствие общего расширения образца, подновления старых и формирования новых систем микротрэщин. Это прослеживается при сравнении сканированных изображений плоскостей образцов до и после нагревания, а также подтверждается данными ультразвукового прозвучивания (Дьяур и др., 2002) после каждого цикла нагрева. Так, после первого цикла значения VP по всем разностям пород уменьшились в среднем на 2.2 %, а после второго - на 11.7 %.

Сравнение значений тепло- (Я) и температуропроводности (а) для пород различного минерального состава при температурах 18, 100 и 200°С показывает (Попов и др., 2003), что наиболее высокие значения Л и а наблюдаются у лейкогранитов и гранитов. Несколько ниже эти значения у гранито-гнейсов, гнейсов и адамел-литов, включая их измененные разности, в которых широко проявлены низкотеплопроводные хлорит и глинистые минералы. Кварцевые диориты, гранодиориты, мон-

цодиориты и тоналиты обладают низкими значениями Я и а. Самые низкие тепло-переносные параметры у метасоматически измененного спессартита.

Суммируя полученные данные можно сделать вывод, что по комплексу изученных петрофизических параметров породы участка «Каменный» обладают относительно более высокой степенью неоднородности, чем породы участка «Итатский». Очевидно, что на основании информации только по двум разрезам скважин неправомерно делать вывод о предпочтительности одного из участков для изоляции ОЯТ. Однако, детальное изучение метаморфических, гидротермально-метасомати-ческих и деформационных преобразований пород и их влияния на анизотропию петрофизических свойств позволяет более обоснованно подойти к проектным решениям по строительству ПИЛ в районе ПХК.

Методические наработки по изучению петрофизических параметров легли в основу экспрессного ультразвукового метода выявления и двумерной визуализации неоднородностей упругих и фильтрационных свойств пород в керновых образцах (Petrov et al., 2005), который разработан автором совместно о P.M. Насимовым при участии В.В. Полуэктова, М. Леспинасса и Й. Хаммера. Используется созданный в ЛРР ИГЕМ РАН измерительный комплекс, состоящий из импульсного генератора «Panametrics PR5072», цифрового осциллоскопа «TiePie 208» и преобразователей Я-волн «Panametrics V101» (0.5 MHz) и «Panametrics V103» (1.0 MHz). Метод состоит в определении скоростей Я-волн в сухих и водонасыщенных образцах в сечениях («слоях»), расположенных перпендикулярно к оси керна. На основе этих данных в координатах X-Y строятся карты изолиний скоростей Я-волн для сухого {VFc) и насыщенного (VP„) состояний, а также карты эффекта водонасыщения [Es=(VfH-WcJA'pc]. Оки совмещаются с оцифрованными круговыми изображениями поверхности керна. Это позволяет установить распределение акустически и гидравлически активных структурных неоднородностей в объеме образца. Метод приложим к повседневной практике геолого-геофизических, инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований.

Глава 6. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ИЗОЛЯЦИИ ВАО И ОЯТ

Шестая глава работы обобщает изложенные материалы и посвящена рассмотрению методологических основ изучения пространственно-временных взаимосвязей между полями напряжений, механизмами деформации, тектоническими движениями и перемещением флюидов, т.е. динамической составляющей процессов, происходящих в геологической среде и влияющих на условия миграции радионуклидов, в контексте оценки тектонодинамических условий, благоприятных для длительного хранения ОЯТ и захоронения ВАО. Материалы шестой главы являются основой для формулирования четвертого тезисного положения.

Проблема безопасной изоляции ВАО и ОЯТ - предмет активных исследований, проводимых во многих странах мира на основе международной научно-технической кооперации с привлечением значительных финансовых ресурсов. В настоящее время методология выбора и изучения мест расположения потенциальных хранилищ / могильников в различных геологических формациях (гранитоиды, туфы, соли и глины) в целом разработана. Используется метод поэтапного приближения к объекту или ограничения числа возможных альтернатив (Site selection..., 2002). Социальные, политические, экономические и другие факторы иногда заставляют вносить коррективы, но в целом процедура выбора постоянна. Она включает: 1) идентификацию геологической формации и перспективных площадей, 2) выбор на перспективных площадях участков для рекогносцировочных исследований, 3) рекогносцировку участков и вы-

бор среди них ограниченного числа участков для детальных исследований, 4) детальные работы на участках и выбор одного из них после сравнительного анализа; 5) детальные работы на участке для обоснования строительства ПИЛ; 6) строительство ПИЛ и исследования в подземных условиях для анализа долговременной безопасности; 7) принятие решения о приемлемости условий для изоляции BAO и ОЯТ.

Применительно к массивам кристаллических пород предполагается (Лаверов и др., 2001), что вмещающая среда должна обладать следующими параметрами: оптимальными размерами слабонарушенных блоков (для могильников шахтного типа - 5 х 5 км, а для могильников скважиннога типа - 1.0-2.0 х 1.0-2.0 км); низкой проницаемостью кристаллической матрицы, затрудняющей доступ подземных вод; высокой механической, тепловой и радиационной устойчивостью; наличием минеральных ассоциаций, которые при тепловом воздействии генерируют сорбционно-емкие по отношению к радиоизотопам минералы, «запечатывающие» открытые каналы; минерально-химическими свойствами, которые обусловливают формирование в равновесных с ними подземных водах щелочно-восстаноеительной обстановки, неблагоприятной для миграции большинства радионуклидов.

Однако в процессе геологического развития строение, свойства и состояние массивов пород неоднократно изменяются, что выражается в дискретности, анизотропии свойств, неоднородности деформаций и напряжений, проявленных на разных масштабных (от регионального до локального) уровнях. К тому же современные тек-тонофизические процессы, например, смещения по зонам разломов, могут приводить к преобразованию геологических структур и изменению их характеристик, включая степень тектонической нарушенное™, минерально-химический состав и петрофизи-ч секи о свойства пород, гидродинамику и гадрогеохимию подземных вод. Поэтому для выбора полигонов, реализации программ детального изучения потенциальных участков и оценки долговременной безопасности системы изоляции BAO и ОЯТ необходимо восстановить историю геологического развития Еыбранного массива, определить его современные свойства и состояние, а также выработать варианты развития геологических процессов и их влияния на изоляционные свойства пород в будущем. Принципиальное значение имеет прогноз изменения путей и механизмов распространения радионуклидов потоком подземных вод в напряженно-деформированной трещинно-пористой среде. Этот прогноз должен проводиться в контексте единой методологии с тем, чтобы результаты были предметно ориентированы, достаточны по объему, корректны по содержанию, сопоставимы и воспроизводимы различными группами специалистов, а также приемлемы для экспертной оценки.

Опыт изучения урановых месторождений, проведения исследований в районах действующих радиохимических предприятий и посещения зарубежных ПИЛ показывает, что методология оценки тектонодинамического состояния геологической среды и прогноза его изменения на длительный период времени должна сочетать анализ вероятности изменения региональной геодинамической обстановки и локальных тектонофизических условий, а также изменения петроструктурных свойств и г.етрофизических параметров пород под воздействием ТГМХ процессов в ближнем и дальнем полях могильника (Таблица 1).

В контексте геологического обеспечения безопасного размещения BAO и ОЯТ основная задача геодинамических исследований - установление эволюционной последовательности в смене геодинамических режимов и выявление таких тектонически-стабильных блоков, в пределах которых последствия возможных тектонических событий отразятся минимальным образом в связи с петрофизикой пород и характером взаимодействия петрофизических сред. Основной методический прием, позволяющий выявлять разновозрастные геодинамические режимы и устанавливать их смену во времени, - сравнительный анализ структурных парагенезисов различного

возраста заложения, а также анализ характера протекания деформаций на границах раздела и внутри массивов пород, относящихся к различному типу петрофизи-ческих сред.

Таблица 1: Направления геодинамических, тектокофизичееких и структурно-петрофизических исследований для оценки тектонодинамического состояния геологической

среды.

Методы и масштаб исследований

Основные направления исследований

Геодинамические (совокупность породных массивов):

Изучение разновозрастных структурных параге-незисов

Выявление деформационной зональности участков земной коры

Реконструкция характера взаимодействия пет-рофизических сред _

Тектонофизическиа (породный массив):

Изучение разрывно-трещинных систем Восстановление разновозрастных полей напряжения

Физическое и математическое моделирование деформаций

Структурно-петрофизические (образец горной породы, шлиф):

Петрографические и минерально-химические исследования, микроструктурный анализ Изучение петрофизических свойств пород, выявление анизотропии свойств Проведение экспериментов при различных Р-Т параметрах и степени водонасыщения_

Основной результат геодинамических исследований - оценка региональной геодинамической позиции участков земной коры, а также реконструкция характера изменения тектонической обстановки и протекания деформационных процессов, что позволяет на эволюционной основе прогнозировать развитие геодинамических событий во времени. Наиболее важные геодинамические характеристики, необходимые для решения вопроса о пригодности территорий и участков для размещения ядерных материалов, приведены в Таблица 2.

Таблица 2: Основные характеристики, необходимые для оценки вероятности изменения геодинамической обстановки в пределах региона (территории^ размещения ВАО и ОЯТ.

_Геодинамические характеристики территории_

Комбинация структурных Зоны деформационных пре- Процессы в петрофизически элементов: образований пород: квазиизотролной среде:

• Парагонетические типы • Деформационная картина • Внутренние эффекты структур • Компоненты деформации • Граничные эффекты

• Тип древних и современ- (тензор, градиент, аниэо-ных смещений тропия)

» Амплитуды смещений_

Оценка геодинамического состояния массивов кристаллических пород и тектонических процессов, дающих представление о современных региональных закономерностях деформирования участков земной коры, сопряжена с анализом структурно-геоморфологических и сейсмических данных, скоростей современных движений в отдельных блоках и зонах активных разломов. Последние могут иметь такую амплитуду смещений, что это приводит или в будущем может привести к потере механической устойчивости массивов. Поэтому один из ключевых аспектов геодинамических исследований - определение возраста наиболее поздних (кайнозойских) и интенсивности современных тектонических перемещений. Оценка первых прово-

дится с помощью сравнительного анализа данных по смещениям форм рельефа, деформациям речных террас, характеру седиментации, эволюции речной сети, а также по результатам полевых тектонофизических исследований (метод стрейн-анапиза). Интенсивность современных перемещений устанавливается с помощью мониторинга НДС в поверхностных природных и техногенных обнажениях коренных пород, а также в подземных горных выработках. Наиболее доказанными и количественно определенными считаются смещения, установленные геодезическими (нивелирование, триангуляционные измерения, GPS и др.) и геофизическими (микросейсмометрия, наклонометрия, деформометрия и др.) методами.

Основная задача тектонофизических исследований - реконструкция НДС геологической среды на различных, включая новейший, этапах тектогенеза. Основным методическим приемом является восстановление разновозрастных ТПН по результатам изучения разрывно-трещиных систем методом стрейн-анапиза и моделирование (физическое и/или математическое) деформационных процессов. Основной результат - оценка НДС породного массива на последовательных этапах тектонического развития, выявление участков концентрации и рассредоточения главных нормальных и скалывающих напряжений, установление наиболее гидравлически активных элементов каркаса разрывных нарушений, определение ведущих геомеханических параметров массива, а также оценка его механической устойчивости в современных полях напряжений. Сочетание этих данных является основой для выработки наиболее вероятных сценариев деформирования массива горных пород в будущем. Наиболее важные тектонофизические характеристики, необходимые для решения вопроса о пригодности массива для размещения BAO и ОЯТ, приведены в Таблице 3.

Таблица 3: Основные характеристики, необходимые для оценки вероятности изменения

_тектонофизических условий в пределах породного массива._

Тектонофизические характеристики геологической среды

Разрывно-трещинные системы:

• Элементы залегания (ориентировка а ТПН)

• Морфогенетические особенности трещин (поверхности, апертура, плотность, минеральное выполнение и тд.)

• Компоненты смещений

Тип тектонического поля напряжений:

• Ориентировка осей напряжений

• Режим приложения напряжений

• Анизотропия напряженного состояния

Моделирование процессов

деформации пород:

• Параметры числового моделирования

• Параметры физического моделирования

• Параметры верификации результатов моделирования

Сравнительный анализ палео- и современных ТПН позволяет выявить степень унаследованности новейшими разрывами более древнего структурного каркаса и, таким образом, оценить интенсивность и направленность деформационных процессов. К тому же, установление ориентировки и кинематических особенностей разрывных нарушений в действующем ТПН позволяет выделить их наиболее гидравлически активные сегменты, определить преимущественные пути миграции флюидов и транспорта радионуклидов. Тектонофизическое состояние массивов пород изучается уже на ранних рекогносцировочных стадиях, затем при детальных работах на выбранных участках, в процессе проходки подземных горных выработок и, наконец, в условиях ПИЛ. Например, результаты полевых тектонофизических исследований применимы для физического (методы фотоупругости, динамического нагружения, центрифугирования) моделирования деформаций, но для числового моделирования (методы конечных разностей, граничных элементов, конечных эле-

ментов) этих результатов недостаточно. Они должны быть заверены данными изучения НДС пород от situ. В частности, ориентировка и абсолютные значения действующего горизонтального стресса могут быть установлены только с помощью геомеханических (гидроразрыв, перебуривание, тензометрия) тестов. В практике установления геомеханических свойств массивов пород также используются различные инженерно-геологические методы и эмпирические классификации, которые основаны на геологических и гидрогеологических параметрах, определяемых in situ. Поэтому результаты инженерно-геологических изысканий и тектонофизического анализа дополняют друг друга, особенно на ранних стадиях изучения полигонов.

В контексте геологического обеспечения безопасной изоляции BAO и ОЯТ основная задача структурно-петрофизических исследований - изучение текстурно-структурных и физико-механических свойств пород, оценка их анизотропии и неоднородности распределения, а также установление характера изменений этих свойств при стрессовых и тепловых нагрузках. Методический прием - сочетание петрографических исследований и микроструктурного анализа с изучением анизотропии петрофизических (фильтрационных, упругих, механических, теплофизиче-ских и др.) свойств пород, а также экспериментами при таких термогидробарических параметрах, которые наиболее полно отражают Р-Т условия и степень водонасы-щенности пород в рабочей зоне (ближнем поле) подземного сооружения. Основной результат исследований - установление взаимосвязей между анизотропией петрофизических свойств пород и их минерально-химическими, текстурными и микроструктурными характеристиками. Оценка изменения этих свойств в зависимости от термогидромеханических условий, интенсивности и времени воздействия стрессовых и тепловых нагрузок позволяет выработать наиболее вероятные сценарии деформационных преобразований пород в будущем. Структурно-петрофизические характеристики, необходимые для решения вопроса о пригодности пород для изоляции BAO и ОЯТ, приведены в Таблице 4.

Таблица 4: Основные характеристики, необходимые для оценки вероятности изменения

_структурно-петрофизических параметров пород._

_Структурно-петрофизические свойства геологической среды_

Петрографические исследования и микроструктурный анализ пород:

• Петроструктурные особенности пород

• Минерально-геохимические свойства пород

• Микрострукгурный анализ (параметры структуры по-рового пространства)

Петрофизические параметры пород и анизотропия

свойств:

• Физические (плотность, объемный вес)

• Фильтрационно-емкостные (эфф. пористость, параметры порового пространства и динамики водона-сыщения, проницаемость)

• Упругие (скорости Р, 8 и К-волн, акустическая эмиссия)

• Механические (динамические модули сжатия и сдвига, коэфф. Пуассона, пределы прочности и др.)

• Теплофизические (тепло -и температуропроводность, теплоемкость)_

Эксперименты при различных термогидробарических условиях:

• Реологические свойства пород

• Изменение петроструктур-ных и петрофизических свойств пород при различных Р-Т параметрах и степени водонасыщения

• Процессы термогидромеханических и физико-химических преобразований пород

Петрофизические исследования проводятся как в условиях естественного залегания пород, так и в лаборатории. В первом случае выделение структурных неод-нородностей и изучение анизотропии петрофизических свойств пород осуществляется методами поверхностной и скважинной геофизики (электрический, акустический, сейсмический и другие виды каротажей), а механические свойства определяются методами гидроразрыва, перебуривания и др. Они сопровождаются детальным петрографическим и минералогическим описанием керна скважин. В лабораторных условиях петрофизические тесты проводятся на образцах пород различного размера и формы, что обусловлено методическими аспектами исследований. Результаты экспериментов позволяют выявить вариации значений петрофизических свойств отдельных типов пород, установить корреляционные связи между различными параметрами и приложить эти данные для анализа результатов поверхностных и скважинных геофизических исследований. В дополнение к этому изучение влияния стрессовых и тепловых воздействий на текстурно-структурные и петрофизические свойства образцов позволяет с определенной степенью достоверности прогнозировать изменение состояния вмещающих пород в условиях ближнего поля могильника BAO или хранилища ОЯТ.

Выявление степени анизотропии петрофизических свойств пород неразрывно связано с детальным изучением физико-химических процессов, происходящих в системе «трещина — околотрещинное пространство» и влияющих на миграцию радионуклидов. Материалы, отражающие специфику фильтрационной способности трещинно-порового пространства пород, необходимы для качественного описания и числового моделирования процессов миграции и накопления радионуклидов в различных окислительно-восстановительных обстановках. В контексте оценки тектоно-динамических условий изоляции BAO и ОЯТ задача фильтрационно- транспортных исследований - установление пространственно-временных закономерностей и механизмов миграции флюидов в тектонических и тепловых полях напряжений, а также выявление их роли в транспорте вещества, в том числе радионуклидов, происходящем в трещинно-поровой среде кристаллических пород. Методические приемы исследований зависят от масштаба изучаемого нарушения (набор структурных элементов в массиве, отдельная трещина, единичный объем околотрещинного пространства, сеть микропоровых каналов) и времени, для которого восстанавливаются процессы миграции флюидов и радионуклидов (палеофильтрация и рудообразова-ние в связи с гидротермальной деятельностью или современный перенос радионуклидов метеорными водами, сопровождающийся переотложением вещества). Геолого-структурные, структурно-петрофизические и микроструктурные тесты, направленные на разработку перечня вводных данных для моделирования фильтрацион-но-транспортных процессов, проводятся на трех масштабных уровнях: разрезы скважин (обнажения пород), образцы керна (штуфы) и шлифы (прозрачные, прозрачно-полированные и полированные) (Таблица 5).

Представительность получаемых данных обеспечивается исследованиями на одних и тех же образцах с их привязкой к конкретному нарушению (гидравлически или механически активный разлом, разрыв с выраженной метасоматической зональностью и т.д.). Необходимое условие - ориентировка образцов по странам света, что позволяет весь набор изучаемых петроструктурных, минерально-химических и петрофизических параметров вписать в единый пространственно-геометрический контекст.. Обработка данных проводится на основе ГИС и CAD технологий с дальнейшей трехмерной визуализацией геологического пространства как основы для числовых моделей деформационных и физико-химических процессов.

Отраженные в Таблице 5 методы исследований также направлены на установление динамики фильтрационных процессов и осуществление прогноза их развития

в будущем. Реконструкция особенностей фильтрации флюидов в системе «трещина - околотрещинное пространство» в прошедшие геологические эпохи проводится по закономерностям распределения (микроструктурный анализ), составу и свойствам (микротермометрия и рамановская спектроскопия) газово-жидких включений. Сочетание этих данных с результатами стрейн-анализа структурных парагенезисов различных этапов деформаций позволяет установить флюидогеодинамику пород.

Таблица 5: Основные методы выявления фильтрационно-емкостных параметров пород на _различных иерархических уровнях тектонодинамических систем._

Скважина (обнажение):

Масштаб исследований: Образец керна (штуф):

Шлиф (участок шлифа):

• Документация керна скважины (естественного или искусственного обнажения пород)

• Петрографический состав, характер и степень метаморфических и гидротер-мально-метасоматических преобразований

• Морфогенезис трещинных систем (апертура, плотность, шероховатость, сопряженность, минеральное выполнение)

• Расчет эквивалентных фильтрационных свойств и индекса трещинной флюи-допрозодимости К>_

Минерально-химический состав пород

■ Параметры структуры по-рового пространства (по-рометрия методами свободного насыщения и центрифугирования, анизотропия скоростей ультразвуковых волн в сухих и водонасыщенных образцах, импрегнация смоло-обраэными гелями -14СРММА метод и его вариации)

> Расчет индекса флюидо-проводимости матрицы породы Кт

• Текстурный анализ

• Микроструетурный анализ (столик Федорова), а также картирование популяций микротрещин (ОТ и ПГЖВ) по двумерным и трехмерным цифровым изображениям шлифов

• Расчет коэффициента проницаемости микротрещинного пространства КпгГ

Морфогенетические параметры трещин и структура околотрещинного пространства, определяющие особенности фильтрации флюидов и миграции радионуклидов в современных ТПН, изучаются с помощью структурно-петрофизического анализа и импрегнации смолобразных гелей. Определяется структура доступного для фильтрации флюидов порового пространства, а с помощью микроанализа и {радиографии устанавливаются особенности накопления и механизмы перераспределения радионуклидов в минеральных агрегатах и микротрещинах, прилегающих к разрывному нарушению и на удалении от него. Выявление пространственно-временных взаимосвязей между перемещением флюидов, обусловленным полями напряжений, механизмами деформации и тектоническими движениями, и условиями миграции радионуклидов в различных окислительно-восстановительных условиях в трещинно-пористой среде кристаллических пород является основным результатом фильтрационно-транспортных исследований.

Таким образом, оценка тектонодинамического состояния геологической среды и прогноз его изменения на длительный период времени базируется на детальном анализе трех взаимосвязанных факторов: геодинамического (вероятность изменения геодинамической обстановки), тектонофизического (вероятность изменения тектоно-физических условий) и структурно-петрофизического (вероятность изменения петро-струкгурных свойств и петрофизических параметров пород под воздействием термогидромеханических и физико-химических процессов в ближнем и дальнем полях могильника). Масштабы изучаемых в тектонодинамических системах процессов и явлений от совокупности породных массивов (геодинамика) до единичного породного

массива (тектонофизика) и образцов горных пород (структурная петрофизика) в целом соответствуют этапам выбора полигонов для изоляции BAO и ОЯТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования показали, что для научно-обоснованного выбора полигонов, планирования программ детального изучения потенциальных участков, а также оценки долговременной безопасности системы хранения и/или захоронения BAO и ОЯТ необходимо разработать и практически реализовать подход, который бы отражал взаимосвязь между гетерогенностью геологической среды на различных иерархических уровнях (разломы, макро- и микротрещины, поровые каналы, межзерновые границы), вариациями ее напряженно-деформированного состояния и изменчивостью многокомпонентной системы (твердая, жидкая и газообразная фазы), включающей радионуклиды. При этом все исследования должны проводиться в контексте единой методологии с тем, чтобы их результаты были предметно ориентированы, достаточны по объему, корректны по содержанию, сопоставимы и воспроизводимы различными группами специалистов, а также приемлемы для экспертной оценки.

Показано, что основой этой методологии является изучение разномасштабных тектонодинамических систем, взаимосвязанными элементами которых являются поле тектонических напряжений, воздействующее на среду с квазиизотропными петрофи-зическими свойствами, и механизмы деформационных преобразований этой среды, реализующиеся в тектонических движениях. В процессе взаимодействия этих элементов образуются структурные пзрагенезисы - наборы устойчивых и упорядоченных ассоциаций генетически взаимосвязанных дизъюнктивных и плихатизных дислокаций одного масштабного ранга, по которым происходит фильтрация флюидов и миграция вещества. Поскольку, миграция радионуклидов в потоке подземных вод, фильтрующихся в трещинно-поровой среде кристаллических пород, имеет чрезвычайно специфические черты, включая адвекцию, матричную диффузию, дисперсию, (ад)сорбцию, коллоидный перенос, радиоактивный распад, химико-биологические изменения и т.д., то дополнительным элементом анализа тектонодинамических систем являются флюидодинамические и транспортные процессы. Наиболее интенсивно они проявлены в системе «трещина - околотрещинное пространство», что требует выделения отдельных областей, в которых состояние многокомпонентной и многофазовой системы является функцией времени и зависит от масштаба флюидопроводящей неоднородности (макро- и микротрещины, поровые каналы, межзерновые границы).

На конкретных примерах территорий радиохимических (ПО «Маяк» в Челябинской области и ГХК в Красноярском крае) и уранодобывающих (ППГХО в Читинской области) предприятий показано, что для правильного прогноза путей и времени распространения радионуклидов в потоке подземных вод необходимо не только определить структурный каркас, фильтрационные свойства и транспортную способность разномасштабных неоднородностей пород, но и установить динамику их изменения в поле напряжений (тектоническом и/или техногенном), т.е. выявить совокупность тектонодинамических факторов, контролирующих миграцию радионуклидов. Для раскрытия существа этих факторов исследования должны, как минимум, включать следующие основные направления:

• генетический анализ региональных и локальных полей тектонических напряжений,

• определение ведущих и второстепенных деформационных механизмов,

• выявление иерархии структурных неоднородностей деформируемых толщ,

• детальное петрографо-минерапогическое и структурно-геологическое изучение

неоднородностей пород в обнажениях и керне скважин.

• установление неоднородности петрострукгурных, минерально-химических и петрофизических свойств пород как функции расстояния от разрывных нарушений различного морфогенетического типа,

• выявление характера изменения этих свойств при различных Р-Т условиях, степени водонасыщения и времени протекания процессов,

• определение ведущих механизмов миграции радионуклидов и окислительно-восстановительных условий их функционирования.

Каждое из перечисленных направлений включает набор специализированных приемов полевых исследований и лабораторных экспериментов, к которым относятся методы тектонофизического анализа полей напряжений, тектонических движений и деформаций геологической среды, методы структурно-петрофизического анализа массивов горных пород, методы петрографического и минерально-химического анализа пород, методы изучения сорбционно-емкостных параметров пород и др. Необходимым условием проведения работ является применение способов компьютерной обработки данных, основанных на ГИС и CAD-технологиях. Это позволяет провести трехмерную визуализацию геологического пространства, а также осуществить числовое моделирование деформационных, фильтрационных, физико-химических и миграционных процессов.

В общем виде последовательность мероприятий по выявлению влияния текто-нодинамических факторов на миграцию радионуклидов состоит в следующем:

• Сбор, анализ и обобщение литературных данных по пространственно-временной взаимосвязи между полями напряжений, тектоническими движениями, механизмами деформаций, гидродинамикой и гидрогеохимией геологических структур;

• Картирование геологических структур, в пределах которых в результате ранее проведенных исследований отмечена взаимосвязь между неоднородностями геологической среды (разломы, макротрещины, микротрещины и поровые каналы), вариациями ее НДС и изменчивостью флюедных радионуклид-содержащих систем. Составляется набор картографических материалов, на основе которых более детально изучается взаимосвязь между структурными неоднородностями деформируемых пород, тектонофизическими обстановками и механизмами миграции радионуклидов;

• Трехмерная визуализация флюидопроводящих структурных неоднородностей и моделирование фильтрационно-емкостных характеристик геологической среды с помощью, например, пакетов программ openGEIO и GoCAD. С учетом данных по НДС пород создаются пилотные двумерные и трехмерные модели гидравлически активных нарушений, которые являются основой для концептуальных и числовых моделей миграции радионуклидов в различных геоло(иче-ских обстановках и окислительно-восстановительных условиях;

• Лабораторные эксперименты по изучению термо-гидромеханических и минерально-химических преобразований пород при различных Р-Т условиях и степени водонасыщения. Выявляются взаимосвязи между деформационными преобразованиями пород, анизотропией их барьерных свойств, морфострук-турными особенностями трещинно-порового пространства и изменениями физико-химических параметров пород.

Общим итогом исследований является систематизация данных по влиянию тек-тонодинамических факторов на миграцию радионуклидов в кристаллических породах, а также установление временных и пространственных масштабов их функционирования. Эти данные в сочетании с результатами опытно-фильтрационных и геомеханических тестов in situ являются основой для принятия решений о пригодности геологической среды для изоляции ВАО и ОЯТ.

Результаты исследований, отраженные в главах диссертации, свидетельствуют о том, что только раскрытие существа теетонодинамических факторов контроля миграции радионуклидов в кристаллических породах, основанное на восстановлении истории формирования геологических структур, а также на анализе изменения их состава, свойств и состояния, позволяет получить новые качественные характеристики и количественные параметры, необходимые для формирования концептуальных и числовых моделей миграции рздионуклидоз в трещиноватых напряженно-деформированных кристаллических породах.

Предложенная методология анализа путей распространения и условий миграции радионуклидов может быть использована на других, помимо изучавшихся, объектах, находящихся на различных стадиях изучения (от выбора геологической формации до оценки уровня долговременной безопасности системы) для изоляции BAO и ОЯТ. Кроме того, результаты исследований, отражающие пространственно-временные взаимосвязи между полями напряжений, механизмами деформации, тектоническими движениями и гидродинамикой геологических структур, могут найти применение в таких областях, как прогноз устойчивости подземных горных выработок на действующих горнорудных предприятиях и увеличение сырьевой базы уранодобываю-щих предприятий за счет поиска и разведки новообразованных (переотложенных) рудных концентраций.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Бурмистров А А., Петроз В.А., Полуоктоз В.В. Изучение псрозых кзналоа сложной формы в целях создания прогнозной фильтрационной модели уранового месторождения / Тез. докл. 4-го междунар. сов. ГЕОХИ РАН, Москва, 2003. С. 9.

2. Величкин В.И., Петров В.А., Головин В.Ф., Озсейчук В.А. Условия создания международного хранилища отработавшего ядерного топлива в районе Приар-гунского производственного горно-химического объединения / Материалы совещания РАН и NAS (Москва, 2003). Москва, 2005. С. 229-234.

J._УЗА Волков А.Б., Петров В.А., Сысоев А.Н. Структурно-петрофизические исследо-

V ^—' еания участка предполагаемого захоронения радиоактивных отходов (Южный Урал) Н Веста. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1994, N2 6. С. 74-78.

4. Дьяур Н.И., Насимоа Р!Щ Петров В.А., Полуэктов В.В. Влияние врдонасыщения и тепловых воздействий на упругие свойства гранитоидов II Экология Северных территорий России. Архангельск, 2002. С. 125-130.

5. Кочкин Б.Т., Омельяненко Б.И., Петров В .А., Юдинцев C.B. О минимизации экологического риска при выборе места для могильника высокоактивных отходоз в геологической средо И Проблемы офужающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 19Э4. № 1. С. 1-17.

Лаверов Н.П., Величкин В.И., Омельяненко Б.И., Петров В.А., Тарасов H.H. Новые подходы к подземному захоронению высокоактивных отходоз в России \ Н Геоэкология. 2000, № 1. С. 3-12.

---«Л Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В.В., Жариков A.B.,

Насимов P.M., Дьяур Н.И., Бурмистров A.A., Петрунин Г.И., Попов В.Г., Сибгатупин В.Г., Линд Э.Н. Петрофизические свойства гранитоидов Нижне-канского массива: к вопросу о выборе участков для изоляции BAO и ОЯТ // Геоэкология, 2002, №4. С. 293-310. ^ïO, Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В.В., Жариков A.B., "^Насимов P.M., Дьяур Н.И., Ровный С.И., Дрожко Е.Г., Иванов И .А. Петрофизические и минерально-химические аспекты выбора участков для

изоляции BAO в метавулканитах района ПО «Маяк», Южный Урал // К— Геоэкология, 2003, № 1. С. 5-22.

Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В.В., Насимов P.M., Дьяур Н.И., Бурмистров A.A., Леспинас М., Саус Дж., Кюне М., Леруа Дж.Л. Сравнительный анализ фильтрационных свойств гранитов на макро- и микроуровне в связи с изоляцией радиоактивных отходов II Геоэкология, 2004, Na 4. С. 293309.

10. Омельяненко Б.И., Петров В.А., Юдинцев С.В., Зарайский Г.П., Старостин В.И. Петрографические критерии выбора геологической среды для захоронения высокоактивных отходов // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 1994. Ns 1. С. 17-27.

11. Петров В.А. Исследования петрофизических свойств и напряженно-деформированного состояния пород в районах ПО «Маяк» и ГХК в связи с выбором полигонов для изоляции BAO II Геология рудн. м-ний, 2001, том 43, № 6. С. 478-494.

12. Петров В.А. Оценка текгонодинамического состояния геологической среды и прогноз его изменения на период потенциальной опасности захораниваемых BAO и ОЯТ // Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов. Вып. 7. М.: ГЕОС, 2005. С. 284-289.

13. Петров В.А., Сысоев А.Н., Старостин В.И., Волков А.Б. К вопросу о методологии изучения геологической среды в связи с проблемами захоронения РАО // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 1996. № 2. С. 40-50.

Петров В.А., Звягинцев Л.И., Полуэктов В.В., Волков А.Б. Изменение упругих и деформационных свойств пород в зависимости от длительности воздействия напряжения // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1998, № 6. С. 41-51.

15. Петров В.А., Леспинасс М„ Хаммер Й. Тектонодинамические факторы контроля миграции радионуклидов в кристаллических породах II Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов. Вып. 7. М.: ГЕОС, 2005. С. 279-284.

16. Полуэктов В.В., Петров В.А., Насимов P.M., Дьяур Н.И. Характеристика деформационных и сопутствующих эпигенетических преобразований гранитоидов Нижнекансксго массива в связи с захоронением РАО I Тез. докл. 3-го между-нар. сов. ГЕОХИ РАН, Москва, 2001. С. 31-32.

17. Полуэктов В.В., Петров В.А., Попов В.Г. Исследования петрохимических и теп-лофизических свойств метавулканитов (Ю. Урал) и гранитоидов (Енисейский кряж) применительно к проблеме захоронения BAO И Роль минералог, исслед. в решении эколог, проблем. Москва, 2002. С. 157-159.

18. Полуэктов В.В., Петров В.А., Попов В.Г. Исследования петроструктурных, минерально-химических и теплофизических свойств гранитоидов Нижнеканского массива (Енисейский кряж) в связи с проблемой захоронения высокоактивных отходов / Тез. докл. 4-го междунар. сов. ГЕОХИ РАН, Москва, 2003. С. 43-44.

19. Попов В.Г., Петрунин Г.И., Петров В.А., Полуэктов В.В. Влияние минерального \ состава на теплопереносные параметры гранитоидов Нижнеканского массива /

Труды 4-х геофиз. чтений им. В.В. Федынского. Москва. 2003. С. 80-89. СвЛ Старостин В.И., Величкин В.И., Петров В .А., Волков А.Б., Кочкин Б.Т. ОХ Структурно-петрофизические и геодинамические аспекты выбора массивов \ кристаллических пород в связи с проблемами захоронения радиоактивных Отходов И Геоэкология. 1995. № 6. С. 17-26.

21. Старостин В.И., Петров В .А., Волков А.Б. Экологическая петрофизика // Глобальные и региональные эколого-экономические проблемы геологии. М.: ВИНИТИ, 1996. С. 87-98.

22. Сысоев А.Н., Петров Б.А., Волков А.Б., Левашенко Д.В. Позднечетвертачные тектонические движения, осадконакопление и рельеф восточного склона Южного-Среднего Урала / Тез. докл. Всерос. совещания по изуч. четвертичного периода, Москва. 1994. С. 225.

23. Laverov, N.P., Velichkin, V.I., Petrov, VA, Tarasov, N.N., Poluektov, V.V. The principal aspects of geological investigations for deep disposal of HLRW in crystalline massifs in the Russian Federation / Proc. Int. Conf. on Rad. Waste Disp., DisTec'98. Hamburg, 1998. P. 82-87.

24. Laverov, N.P.. Velichkin. V.I., Petrov, V.A. Omeiianenko, B.I., Рек, A.A. Long-term solutions to managing nuclear waste in the Russian Federation // The Environmental Challenges of Nuclear Disarmament Т.Е. Baca and T. Florkowski (eds.). Kluwer Acad. Publ., Netherlands. 2000. P. 75-83.

25. Laverov, N.P., Velichkin, V.I., Petrov, VA., Golovin, V.F., Galinov, Yu.N., Ovseychuk, V.A., Schukin, S.I. International repository project in Russia / Proc. WM'04 Conf., Tucson, AZ, U.S.A. 2004. 9 p. CD-R.

26. Lespinasse, M., Desindes, I_, Fratczak, P., Petrov, V. Microfissural mapping of natural cracks in rocks: Implications for fluid transfers quantification in the crust // Chem. Geol. 2005. N 223. P. 170-178.

27. Ornelyanenko, B.I., Zaraisky, G.P., Starostin, V.I., Petrov, V.A., Yudintsev, S.V, The petrographic criteria of selection of geological environments for building high-level waste (HLW) repository I Proc. Int. Conf. on Nucl. Waste Man. and Envir. Remed. Vol. 1,. Prague, Czech Rep., 1993. P. 697-702.

28. Petrov, V.A., Sysoev, A.N., Starostin, V.I., Volkov, A.B. On the issua of methodology of geologic site characterization on different scales for radioactive waste disposal / Proc. Int. Conf. on Deep Geol. Disposal of Rad. Waste. Winnipeg, Canada. 1996. P. 3/153-162.

29. Petrov, V.A., Sysoev, AN., Volkov, A.B. Deformational and geomorphologic zoning within the region of intraplate collision, Southern Urals, Russia / Abst. 30th Inter. Geol. Congr., Beijing, China. 1996. Vol. 3. P. 207.

30. Petrov, VA, Zviagintsev, L.I., Poluektov, V.V. Deformation mechanism of basic rock during long-term compression: area of HLW repository design, Chelyabinsk district, Russia. In: W.M. Murphy, D.A. Knecht (eds.). Scientific Basis for Nuclear Waste Management XIX, Mat Res. Soc. Vol. 412,1996. P. 777-781.

31. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Kupriyanova, E.Yu. Application of petrological and petrophysical data for the assessment of radionuclide retardation in metavolcanites. In: I.G. McKSnley, C. McCombie (eds.), Scientific Basis for Nuclear Waste Management XXI, Mat Res. Soc. Vol. 506.1997. P. 1067-1068.

32. Petrov, VA., Poluektov, V.V., Zharikov, A.V. Peculiarities of fluid transport in the metavolcanic strata at the PA Mayak territory, Russia / Proc. 1998 HLRWM Conf., Las Vegas, USA, 1993. P. 68-70.

33. Petrov, VA., Poluektov, V.V. On the issue of retentivity of metavolcanites at the PA "Mayak" territory (Russia): mineral-chemical and structural-petrophysical aspects / Proc. 7m Int Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed., ICEM'99. Nagoya, Japan. 1999. CD-R.

34. Petrov, VA., Velichkin, V.I., Poluektov, V.V., Tarasov, N.N. Integration of geological, geomechanical and petrophysical data for the preliminary prediction of the HLW disposal system behaviour at the Southern Urals, Russia / Proc. Int Conf. on Rad. Waste Disp., DisTec'2000. Berlin, Germany. 2000. P. 218-223.

35. Petrov, V.A., Velichkin, V.I., Lichtner, P.C., Perry, F., Ovseichuk, V.A., Schukin, S.I. Fractured welded tuffs in Krasnokamensk, Chita region: Natural analogue study for radionuclide migration in variably saturated fractured rock / Proc. Int. Conf. Fractured Rock. Toronto, Can&tf&. 2GC1. 3 p. CD-R.

36. Petrov, V.A., Golubev, V.N., Golovin, V.A. Structural, geochemical and isotopic evolution of uranium deposits in the Domot ore field, Mongolia / Proc. Int. Conf. on Uranium Deposits. Prague, Czech Rep. 2002. P. 103-106.

37. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Nasimov, R.M., Diaur, N.I., Buimistrov, A.A., Lespinasse, M., Sausse, J., Cuney, M., Leroy, J.L. Comparative analysis of hydraulic properties of granites at macro- and micro scale for the HLW disposal / Proc. 9"1 Int. Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed., ICEM'03, Oxford, UK. 2003. 10 p. CD-R.

38. Petrov, V.A., Lespinasse, M. Research into the conditions of the migration of contaminants in the vadose zone // Rus. Mining. 2003. N 6. P. 37-38.

39. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Nasimov, R.M., Diaur, N.I., Buimistrov, A.A., Lespinasse, M., Sausse, J., Cuney, M., Leroy, J., Siitari-Kauppi. M., Kelokaski, M., Oila, E„ Sardini, P. Microstructural characterization of the radionuclide pathways in the rock matrix / Proc. Int. Conf on Uranium Geochemistry, Nancy, France. 2003. P. 293-296.

40. Petrov, VJk., Velichkin, V.I., Poluektov, V.V., Golubev, V.N., Lespinasse, M., Sausse, J., Cuney, M., Leroy, J., Lichtner, P.C., Perry, F., Schukin, S.I. Assessment of hydraulic properties of fracture network in relation to the uranium transport in oxidizing conditions of welded tuffs I Proc. Int. Conf. on Uranium Geochemistry. Nancy, France. 2003. P. 297-300.

41. Petrov, V.A. Poluektov, V.V., Dorokhova, L.I., Nasimov, R.M., Diaur, N.I., Buimistrov, A.A., Lespinasse, M., Sausse, J., Cuney, M., Siitari-Kauppi, M., Kelokaski, M. Characterization of fluid flow pathways in granites at macro- and microscale / Proc. Int. Conf. on Rad. Waste. Disp., DisTec'04, Berlin, Gemany. 2004. P. 197-205.

42. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Golubev. V.N., Andreeva, O.V., Dubinina, E.O., Lichtner, P.C., Perry, F.V., Ovseichuk, V.A., Schukin, S.I., Lespinasse, M., Sausse, J., Cuney, M. Natural analogue studies in variably saturated fractured welded tuffs I Proc. Int. Conf. on Rad. Waste. Disp., DisTec'04. Berlin, Gemany. 2004. P. 450-457.

43. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Zharikov, A.V., Nasimov, R.M., Diaur, N.I., Terentiev, V.A., Burmistrov, A.A., Petrunin, G.I., Popov, V.G., Sibgatulin, V.G., Lind, E.N., Graf-chikov, A.A., Snmonov, V.M. Microstructure, fiitration, elastic and thermal properties of granite rock samples: Implication to the HLW disposal. In: Harvey, P.K., Brewer, T.S., Pezard, P.A. & Petrov, V.A. (eds). 2005. Petrophysical Properties of Crystalline Rocks. Geological Society, London, Special Publication, 240. P. 237-253.

44. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Zharikov, A.V., Velichkin, V.I., Nasimov, R.M., Diaur, N.!., Terentiev, V.A., Shmonov, V.M., Vitovtova, V.M. Deformation of metavolcanics in the Karachay Lake area, Southern Urals: Petrophysical and mineral-chemical aspects. !n: Harvey, P.K., Brewer, T.S., Pezard, P.A. & Petrov, V.A. (eds). 2005. Petrophysical Properties of Crystalline Rocks. Geological Society, London, Special Publication. 240. P. 307-322.

45. Petrov, V.A., Poluektov, V.V., Golubev, V.N., Andreeva, O.V., Kartashov, P.N., Lespinasse, M., Sausse, J., Cuney, M., Lichtner, P.C., Perry, F.V., Galinov, Yu.N., Ovseichuk, V.A., Schukin, S.I. Uranium mineralization in oxidized fractured environment of the giant volcanic related uranium field from the Krasnokamensk Area / Proc. Int. Symp. Uranium. Prod, and Raw Mat. IAEA. Vienna, Austria. 2005. P. 260264.

46. Petrov, V., Nasimov, R., Lespinasse, M., Hammer, J. Ultrasonic method for identification and 2D visualization of heterogeneities of rock elastic and filtration properties in core samples// Rus. Mining. 2005. N 1. P. 22-25.

47. Petrov, VA., Poluektov, V.V., Golubev, V.N., Anareeva, O.V., Dubinins, E.O., Lichtner, P.C., Perry, F.V., Galinov, Yu. N.. Ovseichuk, V.A., Schukin, S.I., Lespinasse, M., Sausse, J., Hammer, J. Evaluation of uranium migration pathways in fractured welded tuffs / Proc. 10th Int. Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Rcmsd., ICEM"05, Glasgow, Scotland. 2005.9 p. CD-R.

48. Poluektov, V.V., Petrov, V.A., Tarasov, N.N. Deformations and metamorphic transformations of the Nizhnekansky granitoid massif, Krasnoyarsk territory, Russia / Proc. Eur. Geophys. Soc. 26<h Gen. Ass., Nice, France, 2001. Geoph. Res. Abstr. Vol. 3. 2 p. CD-R.

49. Sim, LA., Sysoev, A.N., Volkov, A.B., Petrov, VA Geological development and geodynamic conditions of the Urals in postcollisional stage / Proc. L.P. Zonenshain Mem. Conf. on Plate Tectonics, Moscow. 1993. P. 129.

50. Starostin. V.I., Sobolev, R.N., Volkov, A.B., Petrov, VA., Sysoev, A.N. Forecast of changing migration condition for harmful solutions on the basis of the study of geological structure development// Mineral. Magazine. 1994. Vol. 58A. P. 872-873.

51. Starostin, V.I., Volkov, A.B., Velichkin, V.I., Petrov, V.A., Sysoev, A.N. Tectono-physical, structural-petrophysical and geodynamic criteria governing the choice of radwaste disposal site in crystalline massives / Proc. of the 501 Int Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed., Berlin, Germany. 1995. Vol. 1. P. 673-677.

52. Sysoev, AN., Petrov, VA., Ivanov, I.A., Volkov, A.B. GeomorphoSogical and tectonophysical approach to the identification of sites for radioactive waste disposal at the PA Mayak territory, Russia / Proc. Int. Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed., ICEM'S9. Nagoya, Japan. 1999. 8 p. CD-R.

53. Velichkin, V.I., Petrov, V.A., Tarasov, N.N., Poluektov, V.V., Kochkin, B.T., Asadulin,

A.A., Volkov, A.B. Appraisal of the physical and dynamic state of the Mayak operations geological environment with a view to underground radwaste disposal / Proc. Int Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed. Berlin, Germany. 1995. P. 823826.

54. Velichkin, V.I., Omelianenko, B.I., Petrov, V.A., Tarasov, N.N., Poluektov, V.V., My-skin, V.I., Asadulin, AA. Geological aspects of solidified high-level radioactive waste (HRW) disposal problem at PA "Mayak", Chelyabinsk district, Russia / Proc. 6th Int. Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed. ICEM'97. Singapore, 1997. P. 399402.

55. Velichkin, V.I., Tarasov, N.N., Petrov, VA, Myskin, V.I. Poluektov, V.V., Nikonov,

B.S. Geological factors determining the migration of radionuclides in geological environment of the PO "Mayak" territory, Chelyabinsk district, Russia / Proc. 61" Int. Conf. on Rad. Waste Man. and Envir. Remed. ICEM'97. Singapore, 1997. P. 395-393.

Заказ №27 Тираж 100 РИС ВИМСа

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Петров, Владислав Александрович

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК РИСУНКОВ.

СПИСОК ТАБЛИЦ.

РЕФЕРАТ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ИЗУЧЕНИЕ ТЕКТОНОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ВЫБОРЕ

ПЛОЩАДОК ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ВАО И ОЯТ.

1.1. Тектонические поля напряжений, типы петрофизических сред и структурные парагенезисы.

1.2. Зональность в развитии деформационных процессов.

1.3. Основные аспекты анализа геодинамического развития территорий

1.4. Основные результаты геодинамических исследований в районе ПО «Маяк».

1.4.1. Основные черты палео- и современной геодинамики региона.

1.4.2. Современная речная сеть как индикатор перестройки структуры восточного склона Урала на новейшем этапе тектогенеза.

1.4.3. Особенности современной тектонической структуры района ПО

Маяк».

ГЛАВА 2 РЕКОНСТРУКЦИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ ПРИ ВЫБОРЕ ПЛОЩАДОК ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ВАО И ОЯТ.

2.1. Основные понятия и определения.

2.2. Основные аспекты оценки геомеханического состояния массивов пород.

2.3. Основные аспекты тектонофизического анализа территорий.

2.4. Основные результаты тектонофизических исследований в районах ППГХО и ПО «Маяк».

2.4.1. Рекогносцировочные тектонофизические исследования в районе

ППГХО.

2.4.2. Последовательность проведения тектонофизических исследований на примере района ПО «Маяк».

2.4.2.1. Изучение морфогенетических и кинематических особенностей разрывных структур фундамента.

2.4.2.2. Изучение структурных парагенезисов и физическое моделирование современного НДС среды.

2.4.2.3. Общие закономерности современного НДС геологической среды района ПО «Маяк»: пример аналитического решения.

ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД НА МАКРО- И МИКРОУРОВНЕ В СВЯЗИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ВАО И ОЯТ.

3.1. Основные понятия и определения.

3.2. Методические аспекты изучения фильтрационных свойств пород в керне скважин.

ГЛАВА 4 ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРЕЩИННО

ПОРОВОЙ СРЕДЫ В СВЯЗИ С ОЦЕНКОЙ УСЛОВИЙ МИГРАЦИИ

УРАНА В ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ОБСТАНОВКЕ.

4.1. Процессы миграции радионуклидов в геологических формациях и исходные данные по Тулукуевскому урановорудному месторождению.

4.2. Методические аспекты изучения фильтрационных свойств пород и процессов миграции урана в вадозной зоне на примере Тулукуевского месторождения.

4.3. Адаптация полученных данных к моделированию процессов миграции и накопления урана в вадозной зоне.

ГЛАВА 5 ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ПЕТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД В СВЯЗИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ВАО И . ОЯТ.

5.1. Основные понятия и определения.

5.2. Изучение петрофизических свойств пород применительно к изоляции

ВАО и ОЯТ.

5.2.1. Плотность, объемный вес, эффективная пористость и динамика водонасыщения породной матрицы.

5.2.2. Проницаемость породной матрицы.

5.2.3. Упругие свойства пород.

5.2.3-. 1. Ультразвуковой метод выявления и двумерной визуализации неоднородностей упругих и фильтрационных свойств пород в керновых образцах.

5.2.4. Прочностные свойства пород.

5.2.5. Параметры акустической эмиссии.

5.2.6. Теплофизические свойства пород.

5.3. Структурно-петрофизические аспекты выбора участков для изоляции ВАО и ОЯТ в районах ПО «Маяк» (Челябинская область) и ГХК (Красноярский край).

5.3.1. Район ПО «Маяк» (Челябинская область).

5.3.2. Район ГХК (Красноярский край).

ГЛАВА 6 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ

ТЕКТОНОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ИЗОЛЯЦИИ ВАО И

6.1. Процедура выбора полигонов для изоляции ВАО и ОЯТ.

6.1.1. Этап идентификация перспективных площадей и выбора участков для предварительных рекогносцировочных исследований.

6.1.2. . Этап выбора на перспективных площадях участков для предварительных рекогносцировочных исследований.

6.1.3. Этап рекогносцировки участков и выбора среди них ограниченного числа участков для детальных исследований.

6.1.4. Этап детальных работ на участках, выбора одного из них после сравнительного анализа и обоснования строительства ПИЛ.

6.1.5. Этап детальных исследований на участке и в подземной лаборатории. 431.

6.2. Изучение тектонодинамических условий изоляции ВАО и ОЯТ.

6.2.1. Изучение геодинамических параметров.

6.2.2. Изучение тектонофизических параметров.

6.2.3. Изучение структурно-петрофизических параметров.

6.2.4. Изучение фильтрационной способности пород и механизмов миграции радионуклидов.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Петров, Владислав Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования показали, что для научно-обоснованного выбора полигонов, планирования программ детального изучения потенциальных участков, а также оценки долговременной безопасности системы хранения и/или захоронения ВАО и ОЯТ необходимо разработать и практически реализовать такой подход, который бы отражал взаимосвязь между гетерогенностью геологической среды на различных иерархических уровнях (разломы, макротрещины, микротрещины и поровые каналы), вариациями ее напряженно-деформированного состояния и изменчивостью многокомпонентной системы (твердая, жидкая и газообразная фазы), включающей радионуклиды. При этом все исследования должны проводиться в контексте единой методологии с тем, чтобы их результаты были предметно ориентированы, достаточны по объему, корректны по содержанию, сопоставимы и воспроизводимы различными группами специалистов, а также приемлемы для экспертной оценки.

Показано, что основой этой методологии является изучение разномасштабных тектонодинамических систем, взаимосвязанными элементами которых являются поле тектонических напряжений, воздействующее на среду с квазиизотропными петрофизическими свойствами, и механизмы деформационных преобразований этой среды, реализующиеся в тектонических движениях. В процессе взаимодействия этих элементов образуются структурные парагенезисы - наборы устойчивых и упорядоченных ассоциаций генетически взаимосвязанных хрупких (дизъюнктивных) и пластичных (пликативных) дислокаций одного масштабного ранга, по которым происходит фильтрация флюидов и миграция вещества. Поскольку, миграция радионуклидов в потоке подземных вод, фильтрующихся в трещинно-поровой среде кристаллических пород, имеет чрезвычайно специфические черты, включая адвекцию, матричную диффузию, дисперсию, (ад)сорбцию, коллоидный перенос, радиоактивный распад, химико-биологические изменения и т.д., то дополнительным пятым элементом анализа тектонодинамических систем являются флюидодинамические и транспортные процессы. Наиболее интенсивно эти процессы проявлены в системе «трещина - околотрещишюе пространство», что требует выделять в ней отдельные области, в которых состояние многокомпонентной и многофазовой системы является функцией времени и зависит от масштабов неоднородностей (поры, микротрещины, макротрещины, разломы), по которым происходит течение флюида и миграция вещества.

Исходя из этого, на конкретных примерах территорий радиохимических (ПО «Маяк» в Челябинской области и ГХК в Красноярском крае) и уранодобывающих (ППГХО в Читинской области) предприятий показано, что для правильного прогноза путей и времени распространения радионуклидов в потоке подземных вод необходимо не только определить структурный каркас, фильтрационные свойства и транспортную способность разномасштабных неоднородностей пород, но и установить динамику их изменения в поле напряжений (тектоническом и/или техногенном), т.е. выявить совокупность тектонодинамических факторов, контролирующих миграцию радионуклидов.

Для установления этих факторов методология исследований должна, как минимум, включать следующие основные направления:

• генетический анализ региональных и локальных полей тектонических напряжений,

• определение ведущих и второстепенных деформационных механизмов,

• выявление иерархии структурных неоднородностей деформируемых толщ,

• детальное петрографо-минералогическое и структурно-геологическое изучение неоднородностей пород в обнажениях и керне скважин,

• установление неоднородности петроструктурных, минерально-химических и петрофизических свойств пород как функции расстояния от разрывных нарушений различного морфогенетического типа,

• выявление характера изменения этих свойств при различных Р-Тусловиях, степени водонасыщения и времени протекания процессов,

Каждое из перечисленных направлений включает набор специализированных приемов полевых исследований и лабораторных экспериментов, к которым относятся методы тектонофизического анализа полей напряжений, тектонических движений и деформаций геологической среды, методы структурно-петрофизического анализа массивов горных пород, методы петрографического и минерально-химического анализа пород, методы изучения сорбционно-емкостных параметров пород и др. Необходимым условием проведения работ является применение способов компьютерной обработки данных, основанных на ГИС и СЛО-технологиях. Это позволяет провести трехмерную визуализацию и структурно-литологаческое моделирование геологического пространства, а также осуществить числовое моделирование протекающих деформационных, фильтрационных, физико-химических и миграционных процессов.

В общем виде последовательность мероприятий по выявлению влияния тектонодинамических факторов на миграцию радионуклидов состоит в следующем:

• Сбор, анализ и обобщение литературных данных, отражающих пространственно-временную взаимосвязь между полями напряжений, тектоническими движениями, механизмами деформаций, гидродинамикой и гидрогеохимией геологических структур;

• Картирование геологических структур, в пределах которых в результате ранее проведенных исследований отмечена взаимосвязь между неоднородностями геологической среды (разломы, макротрещины, микротрещины и поровые каналы), вариациями ее НДС и изменчивостью флюидных радионуклидсодержащих систем. В результате составляется набор картографических материалов, на основе которых более детально изучается взаимосвязь между структурными неоднородностями деформируемых пород, тектонофизическими обстановками и механизмами миграции радионуклидов;

• Трехмерная визуализация флюидопроводящих структурных неоднородностей и моделирование фильтрационно-емкостных характеристик геологической среды с помощью, например, пакетов программ openGEO и GoCAD. В результате этого и с учетом данных по НДС пород создаются пилотные двумерные и трехмерные модели гидравлически активных структурных элементов, которые являются основой для концептуальных и числовых моделей миграции радионуклидов в различных геологических обстановках и окислительно-восстановительных условиях;

• Проведение лабораторных измерений и экспериментов по изучению термогидромеханических и минерально-химических преобразований пород при различных Р-Т условиях и степени водонасыщения. В результате выявляются взаимосвязи между деформационными преобразованиями пород, анизотропией их барьерных свойств, морфоструктурными особенностями порово-трещинного пространства и изменениями физико-химических параметров пород.

Общим итогом исследований является систематизация данных по влиянию тектонодинамических факторов на миграцию радионуклидов в кристаллических породах, а также установление временных и пространственных масштабов их функционирования в контексте длительного хранения ОЯТ и подземного захоронения ВАО. Эти данные в сочетании с результатами опытно-фильтрационных и геомеханических тестов in situ являются основой для принятия решений о пригодности геологической среды для изоляции ядерных материалов.

Результаты исследований, отраженные в главах диссертации, свидетельствуют о том, что только раскрытие существа тектонодинамических факторов контроля миграции радионуклидов в кристаллических породах, основанное на восстановлении истории формирования геологических структур, а также на анализе изменения их состава, свойств и состояния, позволяет получить новые качественные характеристики и количественные параметры, необходимые для формирования концептуальных и числовых моделей миграции радионуклидов в трещиноватых напряженно-деформированных кристаллических породах.

Предложенная методология анализа путей распространения и условий миграции радионуклидов может быть использована на других, помимо изучавшихся, объектах, находящихся на различных стадиях (от выбора геологической формации до оценки уровня долговременной безопасности системы) изучения полигонов для создания объектов длительного хранения ОЯТ и захоронения ВАО. Кроме того, результаты исследований, отражающие пространственно-временные взаимосвязи между полями напряжений, механизмами деформации, тектоническими движениями и гидродинамикой геологических структур, могут найти применение в таких областях, как прогноз устойчивости подземных горных выработок на действующих горнорудных предприятиях и увеличение сырьевой базы уранодобывающих предприятий за счет поиска и разведки новообразованных (переотложенных) рудных концентраций.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Петров, Владислав Александрович, Москва

1. Адушкин В.В., Локтев Д.Н., Спивак А.А. Диагностика массивов горных пород территории ПО "Маяк" на основе результатов мониторинга релаксационных процессов // Вопросы радиационной безопасности. 1997. № 1. С. 18-30.

2. Аксюк A.M., Зарайский Г.П. Взаимодействие вода-порода. Краткий обзор проблемы в связи с захоронением радиоактивных отходов в геологических толщах //Очерки физико-химической петрологии. Вып. 18. Миасс: 1994. С. 17-63.

3. Алейников А.Л., Боровков В.Ф., Зубков А.В., Халевин Н.И. Геодинамика Урала по данным натурных и модельных исследований // Геология и геофизика. 1977. № 2. С. 156-159.

4. Алейников А.Л., Беллавин О.В., Булашевич Ю.П. и др. Горизонтальные напряжения и тектогенез Урала / Глубинное строение Урала и сопредельных регионов. Свердловск: Изд-во УрО АН СССР, 1988. С. 106-113.

5. Ампилогов И.Ф. О роли молодых тектонических движений в формировании марганцевых месторождений восточного склона Урала. Советская геология. 1956. №54. С. 189-195.

6. Андреева О.В., Головин В.А. Фациальные особенности аргиллизитов и гидрослюдистьгх метасоматитов на урановых месторождениях и рудоносность различных фаций. М.: ЛРР ИГЕМ РАН, 1979.204 с.

7. Андреева О.В., Головин В.А. Метасоматические процессы на урановых месторождениях Тулукуевской кальдеры в Восточном Забайкалье (Россия) // Геол. рудн. м-ний, том 40, № 3,1998. С. 205-220.

8. Балашов В.Н., Зарайский Г.П. Тепловое разуплотнение горных пород как фактор формирования гидротермальных месторождений // Очерки физико-химической петрологии. М.: Наука, 1982. Вып. 10. С. 69-109.

9. Басанин А.К. Тектонофизические модели гидротермальных жильных месторождений. М.: Наука, 1992.109 с.

10. Баюк Е.И., Томашевская И.С., Добрынин В.М. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах / Под ред. М.П. Воларович. М.: Недра, 1988.255 с.

11. Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. М.: Наука, 1970.

12. Белова Л.Н., Федоров О.В. Новые данные о вещественном составе зоны окисления Тулукуевского месторождения. М.: ЛРР ИГЕМ РАН, 1976.34 с.

13. Белова Л.Н., Федоров О.В. Некоторые новые данные по минеральному составу зоны окисления урановых месторождений Стрельцовского рудного поля // Материалы по геологии урановых месторождений. Вып. 45. М.: ВИМС, 1977.

14. Белова Л.Н., Рыжов Б.И., Федоров О.В. и др. Особенности минерального состава зоны окисления гидроокисно-силикатного и урано-молибдатного типов. М.: ЛРР ИГЕМ РАН, 1981.148 с.

15. Белова Л.Н., Федоров О.В. Гипергенная минералогия месторождений Стрельцовского рудного поля. Гидрокислы и карбонаты урана. М.: ЛРР ИГЕМ РАН., 1990.68 с.

16. Белова Л.Н., Федоров О.В. Гипергенная минералогия месторождений Стрельцовского рудного поля. Силикаты и урановые слюдки. М.: ЛРР ИГЕМ РАН, 1991.33 с.18

Информация о работе

Петров, Владислав Александрович
доктора геолого-минералогических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.36

Диссертация

Тектонодинамические условия изоляции радиоактивных отходов в кристаллических породах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы