Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений
Скальные трещиноватые породы
Движение воды в скальных трещиноватых породах происходит по открытым трещинам, тогда как монолитные участки самих пород, находящихся между трещинами, являются непроницаемыми.
Ширина трещин в скальных породах колеблется в очень больших пределах. Даже в одной породе, залегающей в одном массиве, наряду с трещинами, ширина которых измеря
ется сантиметрами (а иногда и более), встречаются трещины волосяного типа. По мнению Г. М. Ломизе (1951), трещины шириной более 0,2—5 мк уже могут пропускать свободную воду и передавать гидростатическое давление. Свои соображения автор основывает на данных опытов Б. В. Де - рягина (1937) по исследованию свойств связанной воды, образующей пленки на поверхности стекла толщиной всего 0,075 мк.
Процессы образования трещин в скальных породах многообразны и находятся в сложных сочетаниях друг с другом. Поэтому трещины имеют сильно изменчивую интенсивность развития, взаиморасположение и ширину. Однако, несмотря на большое разнообразие процессов, обусловливающих развитие трещин, различные скальные породы в зависимости от условий их залегания и других факторов имеют свои характерные черты в проявлении неоднородности развития трещин и водопроницаемой способности. Далее для некоторых типов распространенных скальных пород приводится характеристика неоднородности указанных свойств.
Магматические глубинные кристаллические породы
(граниты, сиениты, диориты, габбро и др.), не раздробленные последующими тектоническими процессами, обычно имеют относительно правильно развитые трещины отдельности. Выделяются три основные системы трещин отдельности: трещины так называемой пластовой отдельности, большей частью имеющие горизонтальное залегание, и две системы вертикальных трещин, расположенные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом, указанными трещинами отдельности породы разбиваются на правильные, более или менее одинаковые по размеру, параллелепипеды. Кроме того, в магматических глубинных породах встречаются диагональные трещины, идущие под углом к трещинам основной отдельности (М. А. Усов, 1940).
Когда глубинные магматические породы не затронуты процессами выветривания, то трещины основной отдельности и диагональные трещины являются закрытыми и не доступны для движения свободной воды. Открытие трещин в указанных породах происходит в верхних горизонтах. В зависимости от климатических условий, состава и строения пород глубина интенсивного проявления процессов выветривания, по данным различных исследователей, обычно не превышает 30—50 м, но иногда достигает 100—110 м (Ф. А. Руденко, 1958).
Степень трещиноватоети магматических массивно-кристаллических пород может быть охарактеризована величиной их пористости. По данным, приведенным Л. В. Пусто - валовым (1940), Н. И. Плотниковым (1957), в Справочном руководстве гидрогеолога (1959) и др., средняя пористость этих пород равна около 1% с колебаниями от 0,02 до 3%.
Водопроницаемость указанных пород, как правило, небольшая и, но данным Л. Д. Белого (1957), не превышает 2—3 м/сутки.
Приведенные величины пористости и водопроницаемости относятся к породам, залегающим относительно не глубоко от поверхности земли в зоне проявления процессов выветривания. В более глубоких горизонтах величины пористости и водопроницаемости этих пород значительно меньше.
Неоднородность трещиноватоети и водопроницаемости глубинных магматических пород в большой степени зависит от положения массива в современном рельефе поверхности земли. Но даже в пределах ограниченных участков неоднородность указанных свойств этих пород по сравнению с рыхлыми осадочными водопроницаемыми породами (песками) более значительная. Особенно увеличение неоднородности водных свойств магматических глубинных пород наблюдается в участках, приуроченных к локальным зонам тектонического раздробления этих пород.
Данные о сорбционных свойствах описываемых пород в нх естественном залегании почти отсутствуют. Но в преобладающем большинстве случаев сорбционные процессы в магматических глубинных породах, как и в других скальных трещиноватых породах, ограничиваются только поверхностью трещин, по которым движется загрязненная вода, и не распространяются в массивную часть этих пород. Подтверждением сказанного являются данные, полученные М. Ф. Плотниковым («Радиационная гигиена», т. II), на одном участке экспериментального загрязнения подземных вод. Образцы кристаллических пород были взяты из разведочных скважин (табл. 28).
Из табл. 28 видно, что бета-радиоактивность поверхности трещин пород в десятки раз превышает удельную активность воды, взятой из этих же скважин, а пробы, отобранные со свежих изломов образцов пород, бета-излучателей не содержат.
Сорбционная способность поверхности трещин скальных пород зависит от характера покрывающих их образований.
Талько-хлори - товая корка |
Серицито-хло - ритовый налет |
Поверхность трещины без минерального налета |
Бета-активность образцов керна, взятого при бурении разведочных скважин
С поверхности |
1,1 - Ю-6 |
Трещины |
|
С поверхности |
Не обна |
Свежего излома |
Ружено |
С поверхности |
7-10~7 |
Трещины |
|
С поверхности |
Не обна |
Свежего излома |
Ружено |
С поверхности |
2,3-10-6 |
Трещины |
|
С поверхности |
Не обна |
Свежего излома |
Ружено |
С поверхности |
1,4- Ю-7 |
Трещины |
|
С поверхности |
Не обна |
Свежего излома |
Ружено |
Железисто-марганцовый налет |
Излившиеся магматические породы (порфиры, андезиты, базальты, диабазы и др.) в зависимости от возраста и условий залегания имеют различный характер и интенсивность трещиноватости. Древние излившиеся породы, залегающие среди толщ других пород, обычно характеризуются относительно слабо развитой мелкой трещиноватостью. По данным Н. И. Плотникова (1957) и Справочного руководства гидрогеолога (1959), средняя пористость (трещи - новатость) излившихся пород равна примерно 2%, с колебаниями от 0,38 до 6,7%. Вблизи поверхности земли и по линиям тектонических разломов трещины обычно расширены. Поэтому в толщах указанных пород отмечаются зоны относительно повышенной трещиноватости и водопроницаемости, к которым приурочены локальные потоки интенсивного движения подземных вод. В указанных зонах коэффициенты фильтрации пород достигают десятков метров в сутки. Но в преобладающем большинстве случаев вне зон тектонического раздробления водопроницаемость этих пород небольшая.
Кроме трещин отдельности, некоторые разности описываемых пород характеризуются наличием мелких пор, как, например, пемзы, туфы и др. Движение воды в этих разностях пород имеет сложный и очень неоднородный характер (см. ниже).
Метаморфические породы (гнейсы, кристаллические сланцы, роговики, кварциты, мрамор, брекчии, милониты и др.) по своим свойствам и по неоднородности этих свойств весьма разнообразны, что в основном зависит от характера исходной породы и от характера и степени проявления метаморфизма. Однако опыт многочисленных петрографических и геологических исследований показывает, что породы, подвергшиеся региональному метаморфизму[6], по своим свойствам более однообразны, чем породы, измененные под влиянием контактового метаморфизма[7].
Регионально-метаморфические породы, образованные в условиях одностороннего давления, обычно имеют сланцеватость, а во многих случаях и отчетливую слоистость (гнейсы, кристаллические сланцы). При выветривании пород по плоскостям сланцеватости и слоистости развиваются трещины, поэтому по водопроницаемым свойствам эти породы приобретают анизотропность: большую проницаемость параллельно и значительно меньшую проницаемость в направлении, перпендикулярном к указанным плоскостям.
Наряду с относительным однообразием регионально-метаморфических пород местами в них отмечаются зоны дробления. Эти зоны большей частью неширокие, вытянутые в одном направлении на большие расстояния и идут на значительную глубину. Если зоны дробления связаны со сбросовыми дислокациями, то водопроницаемость пород, залегающих в этих зонах, более значительная, чем в окружающих породах. К указанным зонам дробления часто приурочены локальные потоки подземных вод, которые иногда являются своего рода дренами для вод окружающих пород.
Кроме зон сбросовых дислокаций повышенная водопроницаемость метаморфических пород отмечается у контактов различных разностей этих пород, как, например, на
контактах мраморов и сланцев или кварцитов и диабазов и т. д.
Описанное проявление водопроницаемости регионально - метаморфических пород обусловливает то, что движение воды в них имеет сложный характер. Скорость воды в подземных потоках, приуроченных к ним, во многом зависит от ориентировки направления этих потоков к простиранию сланцеватости и слоистости этих пород, а также к простиранию зон дислокаций.
Сланцы глинистые » кровельные » кремнистые Мрамор Кварциты Гнейсы Амфиболиты |
Контактово-метаморфические породы по сравнению с регионально-метаморфическими породами имеют более ограниченное распространение. Они встречаются сравнительно неширокими полосами вдоль контактов вмещающих и относительно молодых магматических пород. Ширина этих полос обычно измеряется от нескольких десятков, сотен метров до нескольких километров. Процессы контактового метаморфизма, а в связи с этим и образование в этих породах трещин очень сложные. Разнообразие пород и процессов метаморфизма обусловливает то, что пористость (степень трещиноватоети) в этих породах меняется в больших пределах.
Пористость (трещиноватость) |
||||
Число |
||||
Макси |
Мини |
Средняя |
Определений |
|
Мальная |
Мальная |
|||
10,0 |
0,49 |
4,0 |
Более 14 |
|
10,28 |
1,16 |
4,0 |
» 59 |
|
0,91 |
0,85 |
Около 1 |
» 2 |
|
-6,0 |
0,11 |
1,0 |
» 7 |
|
—. |
— |
1,0 |
» 5 |
|
2,4 |
0,3 |
1,0 |
» 2 |
|
1,1 |
0,9 |
1,0 |
» 2 |
|
„ „„ __ |
Таблица 29 Пористость {трещиноватость] некоторых метаморфических пород |
Наименование пород |
В табл. 29 приведены данные о пористости некоторых метаморфических пород. Эти данные заимствованы из Справочного руководства гидрогеолога (1959).
В большинстве метаморфические породы имеют слабую водопроницаемость с коэффициентами фильтрации 1—3 м/сутки и меньше. Но среди них отдельные породы, как, например, скарны и мрамор, местами характеризуются
большой водопроницаемостью; коэффициенты фильтрации их достигают десятков и даже сотен метров в сутки.
Как и в глубинных магматических породах, расширение трещин в метаморфических породах в основном происходит в верхних горизонтах под влиянием разнообразных процессов выветривания. Поэтому на глубине уже десятков метров от поверхности земли открытая трещиноватость в этих породах затухает и они становятся практически водоупорными. Исключением из этого являются зоны сбросовых дислокаций и некоторые полосы, приуроченные к контактам различных пород.
По характеру проявления сорбционных свойств метаморфические породы также мало отличаются от глубинных магматических пород. Сорбция ими радиоактивных веществ тоже в основном происходит на поверхностях трещин, по которым движется загрязненная вода и не идет в глубь массивных частей этих пород.
Трещиноватые осадочные породы являются широко распространенными геологическими образованиями. Среди них большой интерес представляют карбонатные породы — известняки и доломиты. Хотя последние и составляют около 5% от общего количества осадочных пород, но часто они слагают большие территории, и мощность их достигает сотен метров.
По сравнению с другими карбонатные породы относительно легко растворимы природной водой, что обусловливает специфический характер открытия в них трещин первичной и тектонической отдельности.
Более интенсивно расширение трещин и образование карстовых пустот происходит в зонах усиленной циркуляции и облегченного питания подземных вод. С увеличением глубины растворение карбонатных пород затухает. Однако и на глубинах сотен метров часто встречаются известняки и доломиты, имеющие открытые трещины, в_ которых движется вода, например в толщах известняков каменноугольного возраста в нефтеносных районах Заволжья. Но эти открытые трещины, по-видимому, в большинстве случаев унаследованы еще с ранних времен существования указанных пород, когда последние залегали близко к поверхности земли.
Неоднородность пористости и водопроницаемости известняков и доломитов проявляется в пределах одного пласта или массива даже на очень небольших расстояниях. Н. И. Плотников (1959), обобщив большой материал гидрогеологических исследований, приводит следующие предельные величины пористости (водоотдачи) известняков для различных районов СССР (табл. 30).
Таблица 30 Пористость {трещииоватость! известняков в процентах
|
Подобно пористости, водопроницаемость известняков и доломитов колеблется в больших пределах. Встречаются толщи этих пород, особенно залегающие на значительной глубине и включающие в себя глинистые разности (мергели), коэффициенты фильтрации которых равны долям метров в сутки. С другой стороны, часто отмечается, что коэффициенты фильтрации известняков и доломитов равны десяткам и сотням метров в сутки. В закарстованных породах имеются случаи сосредоточенного движения воды по открытым карстовым каналам.
Сорбционные свойства карбонатных пород по отношению к радиоактивным веществам не изучены. Но можно предполагать, что к стронцию-90 они имеют несколько большую поглотительную способность по сравнению с другими трещиноватыми скальными породами (за исключением глинистых сланцев).