Тектонодинамические условия изоляции радиоактивных отходов в кристаллических породах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, доктор геолого-минералогических наук Петров, Владислав Александрович

• Петров, Владислав Александрович
• доктор геолого-минералогических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор 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 диссертации 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,

• 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 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.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Петров, Владислав Александрович, 2006 год

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