Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Рыхлые пористые породы

Наиболее характерными представителями этой группы являются пески и глинистые породы, широко представлен­ные на больших территориях в верхних горизонтах земной коры.

Пески в зависимости от степени дифференциации харак­теризуются различной неоднородностью. Пески, образован­ные в континентальных условиях, менее однородны, чем морского происхождения. Наибольшая неоднородность пе­сков отмечается в образованиях ледниковых потоков.

Наряду с песками морского происхождения высокую однородность имеют эоловые пески, часто слагающие зна­чительные территории вдоль морских побережий, а также большие площади в пустынях.

1 Здесь не рассматриваются некоторые гидрогеологические факторы, как, например, уклон поверхности подземных потоков, химический со­став подземной воды и др., принимая их, при схематическом рассмотре­нии данного вопроса, постоянными.

Неоднородность песков выражается в неодинаковом их механическом составе и оценивается коэффициентом неод­нородности, представляющим собой отношение диаметра отверстия сита, через которое проходит 60% частиц, к дей­ствующему диаметру, т. е. к диаметру отверстия сита, через которое проходит 10% частиц песка (по весу):

Механический состав неоднородного песка меняется не только в пределах кажущегося однородного пласта, но даже в одной пробе. Для иллюстрации этого на рис. 29 при­ведены результаты анализов механического состава образ­цов, взятых из одной большой пробы аллювиального песка, отобранной из одного слоя.

Вследствие того что осадочные обломочные породы по условиям своего образования имеют слоистое строение, неоднородность их, как правило, более значительная в на­правлении, перпендикулярном к плоскостям слоистости. В песках часто наблюдается косослоистое сложение.

В зависимости от размера и формы зерен, а также от сложения песка изменяются величина и форма пор, по ко­торым движется вода. В табл. 24 приведены значения об­щей пористости песков различного происхождения.

Таблица 24

Солянские пески (морские террасовые отложения)

Ергенинские пески (древний аллювий)

Пойменный аллювий р. Москвы

Древний аллювий р. Москвы

Различный размер пор в песке обусловливает изменение его водопроницаемости. При прочих равных условиях в по­рах, имеющих большой размер, движение воды происходит быстрее, чем в порах меньшего размера. К этому следует добавить, что если движение воды в порах песка рассма­тривать как в капиллярных каналах, то, согласно исследо­ваниям Н. Н. Павловского, происходит увеличение скоро­сти продвижения воды от стенок пор к их середине (Г. Н. Каменский, 1943).

При изучении миграции радиоактивных веществ в под­земных потоках, как и при решении многих других гидро­геологических задач, представляют интерес максимальная, средняя и минимальная скорости движения воды. По мак­симальной скорости движения воды можно рассчитать вре­мя появления радиоактивного вещества в точке или сече­нии подземного потока, находящихся на том или ином рас­стоянии от источника загрязнения. Средняя скорость дает возможность определит^ время наступления максимально­го содержания радиоактивного вещества в указанной точке или сечении потока в случае разового введения радиоактив­ного вещества в источнике загрязнения, а минимальная ско­рость позволяет установить это же время, но при постоян­но действующем устойчивом источнике загрязнения.

Распределение действительных скоростей движения воды, фильтрующейся через горные породы, главным обра­зом исследуется в полевых условиях при помощи различ­ных индикаторов (флюоресцеин, хлористый натрий, хлори­стый аммоний и радиоактивные изотопы — тритий, сера-35, бром-82 и йод-131). Для проведения этих опытов сооружа­ются две или несколько скважин, находящихся на расстоя­нии 1—3 м друг от друга. В одну из скважин одномомент­но вводят индикатор, по другим же скважинам ведут на­блюдения за изменением его содержания в воде.

Некоторые исследователи (В. И. Аравин и С. Н. Нуме­ров, 1953; А. И. Силин-Бекчурин, 1951, и др.) считают, что средняя действительная скорость воды в подземном потоке соответствует времени появления максимального содержа­ния в воде индикатора; другие же (Г. Н. Каменский, 1943; М. П. Воларович и Н. В. Чураев, 1960, и др.) полагают, что эта скорость имеет большее значение и должна опреде­ляться по точке, находящейся на кривой между появлени­ем индикатора и максимальным содержанием его в воде. Экспериментальные исследования Н. Н. Биндемана (1959) показывают, что средняя скорость иср связана со скоростью продвижения максимума содержания индикатора в воде ^макс коэффициентом а:

И(максj ~ a"cp.

Коэффициент а<1, но при больших расстояниях пути фильтрации воды он приближается к ней. Вследствие того что при оценке явлений, связанных с загрязнением подзем­ных вод радиоактивными веществами, в преобладающем большинстве случаев рассматриваются значительные рас­стояния пути фильтрации воды (несколько десятков, сотен и даже тысяч метров), то можно принять, что средняя дей­ствительная скорость движения воды в подземном потоке равна скорости продвижения максимального содержания несорбируемого радиоактивного изотопа в подземной воде.

Таким образом, по данным полевых опытов можно определить среднюю и максимальную действительные ско­рости движения воды в подземном потоке.

Пески состоят из песчаных, пылевых и глинистых фракций. Песчаные фракции в преобладающем большинст­ве случаев состоят из кварца с подчиненным содержанием полевых шпатов, зерен кальцита, чешуек мусковита и не­большого количества тяжелых минералов (магнетит, иль­менит, гранат, рутил, циркон, роговая обманка и др.).

В составе пылевых и глинистых частиц песков присут­ствуют истертые зерна кварца и полевого шпата, мелкие частицы мусковита, хлорита, серицита и гидрослюд, а так­же во многих случаях в небольшом количестве отмечаются глинистые минералы группы каолинита и группы монтомо- риллонита.

Согласно данным табл. 12, по сорбционной способности кварц и полевые шпаты (ортоклаз, микроклин и альбит), являющиеся основными минералами песчаных фракций пес­ков, по отношению к радиоактивному стронцию сравнитель­но мало отличаются друг от друга. Иное соотношение наблюдается для радиоактивного цезия. Как показали ла­бораторные исследования, интенсивность сорбции указанно­го изотопа этими минералами различна. Большим разли­чием в сорбционной способности по отношению к цезию, а также к стронцию характеризуются минералы, входящие в пылеватые и глинистые фракции песков.

В зависимости от состава материнских пород и от ус­ловий образования минералогический состав песков значи­тельно изменяется. Но в пределах одной генетической фор­мации колебания в минералогическом составе песков обыч­но незначительные (В. П. Батурин, 1937). Поэтому неодно­родность сорбционных свойств песков в пределах одного слоя или одной толщи определяется главным образом ко­личественным соотношением в них песчаных, пылеватых и глинистых фракций, а не их минералогическим составом.

В естественных условиях содержание пылеватых и гли­нистых частиц в песках одного слоя в преобладающем боль­шинстве случаев непостоянно. Часто по распространению или по мощности слоя наблюдаются закономерные измене­ния содержания этих фракций, как, например, увеличение содержания пылеватых и глинистых частиц в песках от рус­ла к коренным берегам и от подошвы к кровле слоев в пой­менных отложениях равнинных рек или постепенное увели­чение содержания этих частиц в озерных и морских отло­жениях от берегов в глубь водоемов.

Гравийные и галечниковые отложения по своему сложе­нию аналогичны пескам, особенно в тех случаях, когда пу­стоты между галькой и частицами гравия заполнены пес­ком. Отличие состоит лишь в том, что водопроницаемость гравийных и галечниковых отложений значительно выше, чем у песков, вследствие чего при прочих равных условиях вода движется в них значительно скорее. Вследствие того что гравийные и галечниковые отложения большей частью не содержат или содержат в очень небольших количествах пылеватые и глинистые фракции, сорбционная способность их значительно ниже, чем у песков. По-видимому, и неод­нородность этого свойства у них также меньше выражена, чем у песков.

Глинистые породы по своему происхождению, сложению и минералогическому составу весьма разнообразны. Они об­разуются при континентальном выветривании материнских горных пород, а также в результате сноса и осаждения ма­териала выветривания этих пород в континентальных и морских водоемах.

Как и пески, глинистые породы, образованные в конти­нентальных условиях, обычно характеризуются большей не­однородностью по сравнению с глинами морского проис­хождения. Пористость глинистых пород в естественном их залегании колеблется в больших пределах — от 25 до 53%, в зависимости от их механического состава и уплотнения (табл. 25).

Из табл. 25 видно, что небольшой пористостью характе­ризуются четвертичные моренные глины (25—26%) и глины
в областях с интенсивным проявлением тектонических про­цессов, как, например, в пределах Кавказа (30—32%), По­ристость большинства мезозойских, третичных и четвертич­ных глин составляет 40—50%.

Четвертичные лессовидные су­глинки То же

Четвертичный аллювий

Вопрос о водопроницаемости глин является не совсем ясным. Если в отношении супесей и легких суглинков, т. е. пород, в основном состоящих из пылеватых частиц и содер­жащих песчаные фракции, установлено, что они являются в той или иной степени водопроницаемыми (коэффициент фильтрации супесей 0,1—0,01 м/сутки, суглинков — 0,01 — 0,0001 м/сутки), то в. отношении водопроницаемости глин такого определенного ответа не имеется. Эксперименталь­ные лабораторные исследования С. А. Роза (1950) показы­вают, что движение воды в глинах наступает только в том случае, когда действующий градиент давления воды превы­шает определенную величину, названную им начальным градиентом давления воды В лабораторных эксперимен­тах, проведенных С. А. Роза, начальный градиент давления воды был равен 20—40, в зависимости от уплотнения образ­ца глины. В природных условиях градиенты давлений воды не достигают таких величин. Это дает основание считать, что в указанных условиях глины являются совершенно не­проницаемыми породами.

С другой же стороны, региональные гидрогеологические исследования ряда артезианских бассейнов показывают, что даже мощные, относительно однородные толщи глин, име­ющие выдержанное распространение, являются проницае­мыми, и вода, проходящая через них, при сравнительно не­больших градиентах давления обеспечивает питание и дренирование артезианских водоносных горизонтов, зале­гающих под этими толщами (А. Н. Мятиев, 1947; А. С. Бе- лицкий, 1958; С. А. Шагоянц, 1959). Но движение воды в глинах в этих условиях происходит весьма медленно.

Водопроницаемость глинистых пород зависит не толь­ко от их механического состава и уплотнения, но также от минералогического состава. При прочих равных условиях каолиновые глины имеют большую водопроницаемость, чем монтмориллонитовые глины.

Водопроницаемость глин иногда увеличивается за счет их агрегатного строения. Часто это отмеча'ется в четвертич­ных глинах и глинах других формаций, залегающих близко к поверхности земли. Агрегатное строение также характер­но для полуокаменелых глин (аргиллитов и алевролитов).

При агрегатном строении глинистых пород движение во­ды в них происходит неравномерно. Наряду с весьма мед-

1 Градиент давления равен отношению разности давления воды в двух сечениях, расположенных перпендикулярно направлению дви­жения воды, к расстоянию между этими сечениями.

Ленным движением воды по мелким порам, находящимся внутри агрегатов, имеет место относительно повышенное движение воды по межагрегатным каналам.

В зоне выветривания глины агрегатного строения иног­да имеют значительную водопроницаемость.

Водопроницаемость некоторых глинистых пород имеет неодинаковую величину в различных направлениях. Так, на­пример, водопроницаемость ленточных глин в горизонталь­ном направлении намного больше, чем в вертикальном. На­оборот, у лессовидных пород в вертикальном няпоавлении отмечается большая водопроницаемость (табл. 26),

Таблица 26

Водопроницаемость лессовидных пород

(по В. А. Приклонскому, 1955)

Коэффициент фильтрации в ы/сутки

По минералогическому составу глинистые породы раз­деляются на три основные группы (Л. Б. Рухин, 1953).

А) Гидрослюдистые глинистые породы, преимуществен­но состоящие из различных минералов группы гидрослюд и иногда содержащие в виде примесей хлорит, каолинит и монтмориллонит. Кроме того, в них почти всегда присутст­вуют пылеватые и песчаные фракции, состоящие из частиц кварца, полевого шпата и тяжелых минералов. Эти глини­стые породы характерны для ледниковых и аллювиальных образований, но встречаются и в осадках морского проис­хождения.

Б) Каолинитовые глины, в которых наряду с минерала­ми каолинитовой группы содержится примесь гидрослюд, органических веществ, пирита, сидерита, зерен кварца и по­левого шпата. Каолинитовые глины являются продуктами выветривания кислых кристаллических пород. Различают
первичные каолинитовые глины, залегающие в элювии этих пород, и вторичные каолинитовые глины, образуемые в кон­тинентальных водоемах за счет приноса и осаждения мате­риала разрушения первичных каолинов.

В) Монтмориллонитовые глинистые породы, в основном состоящие из минералов группы монтмориллонита, в виде примесей содержат кварц, кальцит, гипс, органические ве­щества и др. Эти глины главным образом встречаются в морских отложениях, но также отмечаются в элювии основ­ных коренных пород.

Минералогическое изучение глинистых пород показыва­ет, что содержание отдельных минералов в разных механи­ческих фракциях, составляющих эти породы, различно (М. С. Швецов, 1948; Р. Е. Грим, 1956). Поэтому неоднород­ность сорбционных свойств глинистых пород определяется главным образом степенью постоянства соотношения в них отдельных механических фракций. Исходя из сказанного, наибольшую неоднородность в способности сорбировать ра­диоактивные вещества следует ожидать в глинистых поро­дах ледниковых отложений и делювия. Глинистые же поро­ды озерного и морского происхождения по этой способно­сти являются более или менее однородными. В табл. 8, 9 и 11 приведены коэффициенты распределения радиоизото­пов между водой и некоторыми разностями глинистых пород.

Почвы в преобладающем большинстве случаев имеют агрегатное строение, поэтому вода в них одновременно дви­жется в мелких порах, находящихся внутри агрегатов, и по более крупным порам, образованным в межагрегатных про­странствах.

Почвы характеризуются большой общей пористостью, в среднем равной от 40 до 55%. В верхнем горизонте Ах об­щая пористость достигает 60—70%. Значительная часть во­ды, заполняющей поры почв, является малоподвижной. Это связанная, рыхло-связанная, стыковая и пленочная вода. Объем этой воды в различных почвах составляет от 25 до 37% от общего объема почвы. Таким образом, активная по­ристость почв, которая заполняется водой, свободно движу­щейся под влиянием силы тяжести, в среднем равна от 15 ДО 25%.

Водопроницаемость почв определяется главным обра­зом размером и количеством межагрегатных пор; внутри - агрегатная пористость при этом имеет подчиненное значе­ние. На величину водопроницаемости почв большое влия - ниє оказывает наличие в них трещин, ходов червей, корне­вых ходов и т. д. Наблюдается, что водопроницаемость почв в вертикальном разрезе изменяется, в верхних гори­зонтах она большей частью более высокая, чем в нижних.

На рис. 30 (заимствовано из книги А. А. Роде, 1952) по­казано изменение водопроницаемости некоторых почв в

■6

Различных горизонтах. Из приведенных данных можно ви­деть, что вода в почве движется с различными скоростями.

Большой материал по водным свойствам почв приведен в книге А. А. Роде (1952).

Свойства почв сорбировать радиоактивные продукты де­ления урана освещены в работе В. М. Кдечковского и И. В. Гулякина (1958). Различные почвы имеют неодина­ковую способность поглощать эти продукты. В табл. 27 приведены данные определения коэффициента распределе­ния стронция-90, церия-144 и цезия-137 между пресной гид­рокарбонатной водой и различными почвами, полученные Е. И. Орловой в опытах в статических условиях.

В кислых почвах радиоактивные элементы сорбируются хуже, чем в нейтральных и щелочных. Внесение в почву различных удобрений изменяет их сорбционную способ-

Таблица 27

Поглощение продуктов деления урана почвами из пресной гидрокарбонатной воды

Величина коэффициента распределения

Наименование почвы и место взятия

Почва тундры (Архангельская область, Амдерма, от 0 до 10 см) Почва серая лесная (Орловская область, Новосельская опыт­ная станция, от 0 до 10 см) Почва серая лесная (район г. Том­ска, от 0 до 5 см) Почва среднеподзолистая (пахот­ная) (Московская область, сов­хоз «Коммунарка», от 0 до 23 см)

Почва среднеподзолистая (Мос­ковская область, Можайский район, от 0 до 10 см) Чернозем (Воронежская область, Институт земледелия им. До­кучаева, от 0 до 23 см) Почва каштановая (Саратовская область, Красный Кут, от 0 до 23 см)

Стронций-90

Ность. Так, калийные удобрения сильно понижают погло­щение почвами цезия-137. Способность сорбировать радио­активные продукты деления значительно повышается в поч­вах, богатых перегноем, поэтому в вертикальном разрезе обычно отмечается уменьшение сорбционной способности почв сверху вниз.