Определение и локализация каналов поступления 3Н в воды реки Шаган

Определение и локализация каналов поступления 3Н в воды реки Шаган

Айдарханов А.О.1, Есимбеков А.Ж.1, Актаев М.Р.1, Анисимов B.C.2

1 Институт радиационной безопасности и экологии Национального ядерного

центра Республики Казахстан, Курчатов;

2 ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН, Обнинск

В статье представлены результаты исследования содержания 3Н в подземных и поверхностных водах долины реки Шаган, протекающей на территории Семипалатинского испытательного полигона (СИП). Выявлен участок (4,7-7,7 км от «Атомного озера) с аномально высоким содержанием 3Н в подземных водах (до 43000 Бк/кг). Проведён сравнительный анализ данных содержания 3Н в подземных и поверхностных водах с результатами геолого-геофизичес-ких исследований долины р. Шаган. Рассмотрены основные каналы поступления 3Н в поверхностные воды р. Шаган. Установлена связь между геологическим строением исследуемого участка с данными о содержании 3Н в подземных и поверхностных водах. Главным каналом разгрузки загрязнённых 3Н подземных вод в поверхностные воды являются тектонические нарушения, выявленные на исследуемом участке реки.

Ключевые слова: подземные воды, грунтовые воды, поверхностные воды, 3Н, «Атомное озеро», тектонические нарушения, СИП, река Шаган.

Введение

Река Шаган представляет собой самый протяжённый поверхностный водоток, протекающий на территории Семипалатинского испытательного полигона (СИП) в его восточной части и вместе с притоком - р. Ащису, впадает в «Атомное озеро». Характеризуется отсутствием поверхностного водотока после выхода из «Атомного озера» в интервале от 12 до 30 км.

В 1999-2003 гг. проводилось радиологическое обследование «Атомного озера», рек Шаган и Ащису. В результате исследований в водах р. Шаган на расстоянии б км от «Атомного озера» было зафиксировано аномально высокое содержание 3Н [б]. Данный факт потребовал детального изучения. Дальнейшие исследования, которые проводят по настоящее время, неоднократно подтверждали присутствие больших концентраций 3Н в водах р. Шаган. Так, изыскания, проведенные в 2006-2007 гг., выявили интервал изменения активности 3Н на участке реки от «Атомного озера» и до впадения в р. Иртыш. Максимальные концентрации были зафиксированы на расстоянии 4,7 км от «Атомного озера», а минимальные - в месте впадения в р. Иртыш.

В 2008 г. проведено детальное изучение интервала р. Шаган до 6 км от «Атомного озера», наиболее загрязнённого 3Н, с шагом отбора 10 м. Установлена особенность загрязнения данного участка: чередование максимумов и минимумов активности 3Н [1]. Это дало повод предположить наличие либо множественности каналов поступления, либо многочисленных каналов выхода загрязнённых вод.

Геофизические исследования, проведённые в районе проведения подземных ядерных взрывов (ПЯВ) и в долине р. Шаган, позволили получить данные о геологическом строении и гидрогеологическом режиме подземных вод исследуемого района. По профилю, проходящему через несколько «боевых» скважин (1203, 1414) и наиболее загрязнённый участок р. Шаган, бы-

Айдарханов А.О.* - нач. отд.; Есимбеков А.Ж. - инженер; Актаев М.Р. - рук. гр. ИБРЭ НЯЦ РК. Анисимов В.С. - зав. лаб., к.б.н.,

ВНИИСХРАЭ РАСХН.

'Контакты: 071 100, Республика Казахстан, Курчатов, ул. Красноармейская, 2. Тел.: 8(72251)2-74-51; e-mail: Asan@nnc.kz.

ли проведены геофизические исследования и пробурен ряд гидрогеологических скважин. Схема расположения исследовательского профиля представлена на рис. 1.

По результатам был построен геолого-геофизический разрез, проясняющий геологическую ситуацию исследуемого участка площадки «Балапан» (рис. 2) [2].

1 - четвертичные супеси, пески; 2 - неогеновые глины; 3 - мезозойская кора выветривания;

4 - каменноугольные андезиты; 5 - каменноугольный песчаник и алевролиты; 6 - каменноугольные туфопесчаники; 7 - тектонические зоны дробления; 8 - участок поймы реки Шаган.

Рис. 2. Геологический разрез в районе предполагаемого источника загрязнения.

Геологическая ситуация в районе р. Шаган характеризуется наличием мощных пластов водоупорных глин (до 70 м), выклинивающихся в сторону русла р. Шаган. Гидрологический режим отмечается уклоном уровня подземных вод в сторону русла реки. Тектоническая ситуация выражена в наличии тектонических нарушений, установленных в районе поймы реки.

В долине р. Шаган распространены следующие типы подземных вод: грунтовые воды, образованные путём инфильтрации атмосферных осадков в толщи четвертичных осадочных пород, и трещинные воды, распространённые в зонах тектонических разломов.

Выявленные факты о геологической и гидрогеологической ситуации указывают на то, что загрязнение 3Н грунтовых вод происходит посредством смешения с трещинными водами в местах выклинивания водоупорных глин и тектонических нарушений, что обуславливают необходимость изучения загрязнения 3Н грунтовых вод, глубину залегания, а также литологию водо-

вмещающих пород. Это позволит произвести сравнительный анализ активности 3Н в грунтовых и поверхностных водах, локализовать каналы поступления 3Н в поверхностные воды.

Материалы и методы

Исследовательский профиль был заложен вдоль русла на левобережной части р. Шаган, исходя из имеющейся информации о выклинивании глин ближе к руслу, что позволит отобрать пробы грунтовых вод, не вскрывая мощных толщ глин. Удалённость профиля от русла варьировалась в пределах от 200 до 250 м, и диктовалась рельефом местности и возможностью проведения буровых работ. В качестве основного способа вскрытия грунтовых вод на исследуемом участке выбрано бурение скважин. Протяжённость исследовательского профиля: с 1 по 9 км от «Атомного озера». Расстояние между точками бурения в интервале с 1 по 5 км от «Атомного озера» составляет 200 м, а в интервале максимального загрязнения поверхностных вод с 5 по 9 км - 100 м. Схема расположения исследовательского профиля приведена на рис. 3.

Рис. 3. Расположение исследовательского профиля.

По исследовательскому профилю проведено бурение скважин установкой ЛБУ-50-07 на базе автомобиля КАМАЗ. Бурение проводилось механическим вращательным способом с использованием бурового инструмента - шнека диаметром 135 мм, сплошным забоем без отбора керна (образца горной породы).

Буровые работы включают в себя: описание геоморфологических условий в месте заложения скважин, описание литологии слагающих пород, измерение глубины забоя скважин, измерение уровня грунтовых вод, описание обводненности скважин, построение литологической колонки, составление паспортов пробуренных скважин.

Перед началом буровых работ оценивали геоморфологические характеристики участка работ. В процессе бурения посредством визуального описания определяли состав горных пород и литологическую характеристику пластов (мощность пластов, последовательность, состав слагающихся пород, цвет и т.д.).

По окончании бурения замеряли глубину пробуренных скважин, при наличии подземных вод измеряли их пьезометрический (устоявшийся) уровень с помощью гидрогеологической рулетки. По результатам бурения для каждой скважины строилась геолого-литологическая колонка, характеризующая мощность осадочных отложений, состав пород, уровень подземных вод, конструкцию скважин и т.д.

Отбор проб подземных вод из скважины проводился специальным пробоотборником в соответствии с СТ РК ГОСТ Р 51592-2003 «Вода. Общие требования к отбору проб». Объём отобранных проб воды для определения содержания 3Н, а также общего химического и микроэле-ментного состава составлял 1,5 + 0,5 л. Пробы для проведения микроэлементного анализа консервировали путём добавления азотной кислоты (ИЫ03) из расчёта 3 мл на 1 л воды.

Лабораторные работы по анализу отобранных проб проводились в соответствии с методическими указаниями и инструкциями на поверенной специализированной аппаратуре. Определение концентраций 3Н в анализируемых пробах проводилось согласно методике бета-спектрометрическими измерениями [3]. Процедура определения химического состава воды и микроэлементный анализ проводились в соответствии с методикой [4, 6].

Результаты

Схема пробуренных гидрогеологических скважин представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема пробуренных скважин.

В результате буровых работ, проведённых по исследовательскому профилю, пробурено 52 гидрогеологические скважины. В 21 скважине горизонт грунтовых вод не вскрыт вследствие близкого залегания (1-2 м) либо выхода на поверхность коренных пород.

Изменение удельной активности 3Н и общей минерализации грунтовых вод представлено на рис. 5.

Рис. 5. Изменение удельной активности Н и общей минерализации.

При сравнении графиков можно отметить, что в интервале увеличения активности 3Н (4,7 км - 7,7 км) уровень минерализации падает с ~ 12000 мг/л до ~7500 мг/л. Такой характер изменения минерализации подтверждает наличие подтока подземных вод с другим минеральным составом. Так как активность 3Н на всем протяжении интервала стабильна, то, скорее всего, поступление 3Н в грунтовые воды происходит по одному каналу.

Характер изменения удельной активности 3Н в грунтовых и поверхностных водах представлен на рис. 6.

Расстояние от "Атомного озера", км

Рис. 6. Изменение удельной активности 3Н в грунтовых и поверхностных водах.

Грунтовые воды не могут являться главным каналом поступления 3Н в поверхностные воды, так как активность в грунтовых водах держится в пределах ~43000 Бк/кг на всём протяжении интервала максимального загрязнения, тогда как в поверхностных водах имеются ярко вы-

раженные точки максимума и минимума активности 3Н. Также максимальная удельная активность 3Н в поверхностных водах превышает максимальную активность 3Н в грунтовых водах. Следовательно, можно сделать промежуточный вывод, что механизм поступления 3Н в грунтовые и поверхностные воды различен. Стабильно высокий уровень 3Н в грунтовых водах в интервале 4,7 км - 7,7 км свидетельствует о существовании зоны смешения с трещинными водами, тогда как скачкообразное изменение активности 3Н в поверхностных водах указывает на прямое поступление трещинных вод, загрязнённых 3Н.

Наличие тектонических нарушений на исследуемом участке реки установлено геофизическими исследованиями, проведенными в 2011 г. методом зондирования становлением электромагнитного поля в ближней зоне (ЗСБ), по результатам которого был построен геоэлектри-ческий разрез (рис. 7).

н ч

нт

Расстояние от "Атомного озера", км

I ГП^^Нпы»

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 110130150160

О 500 100015002000

Рис. 7. График изменения удельной активности Н и геоэлектрический разрез.

При сравнении графика изменения удельной активности 3Н в грунтовых и поверхностных водах с геоэлектрическим разрезом установлено, что в пределах зоны 1-3 удельная активность 3Н увеличивается и достигает своего максимума на границе зоны.

Следовательно, главным каналом поступления 3Н в воды р. Шаган являются тектонические нарушения, по которым трещинно-жильные воды поступают в поверхностные воды.

Выводы

Определена степень загрязнения грунтовых вод 3Н. Выявлен интервал 4,7 км - 7,7 км от «Атомного озера», в пределах которого активность 3Н достигает аномально высоких значений (~43000 Бк/кг). Общая минерализация грунтовых вод на исследуемом участке р. Шаган весьма неравномерна и характеризуется снижением минерализации в интервале увеличения активности 3Н (4,7 км - 7,7 км), что свидетельствует о подтоке трещинных вод с другим минеральным составом.

Сравнительный анализ данных содержания 3Н в грунтовых и поверхностных водах выявил различия в изменениях активности 3Н. В изменении активности 3Н в грунтовых и поверхностных водах не прослеживается корреляционной связи, что говорит о разных механизмах поступления 3Н.

Изучение материалов геофизического исследования протяженности р. Шаган и сопоставление с полученными сведениями о загрязнении 3Н грунтовых и поверхностных вод позволило определить канал поступления 3Н в воды р. Шаган. По результатам геофизического исследования на изучаемом участке реки были выявлены тектонические нарушения, и при сравнении тектонической ситуации с изменением удельной активности 3Н в грунтовых и поверхностных водах установлено, что активность 3Н в поверхностных водах увеличивается в границах тектонического разлома. Тектонические нарушения, относящиеся к Жананской зоне смятия, являются основным каналом поступления загрязненных 3Н трещинных вод в воды р. Шаган.

Литература

1. Айдарханов А.О., Лукашенко С.Н., Субботин С.Б., Эдомин В.И., Генова С.В., Топорова А.В., Ла-

рионова Н.В., Пестов Е.Ю. Состояние экосистемы р. Шаган и основные механизмы формирования //Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана: сб. научн. трудов /под рук. С.Н. Лукашенко. Вып. 2. Павлодар: Дом печати, 2010. С. 26, 27.

2. Айдарханов А.О., Лукашенко С.Н., Субботин С.Б., Эдомин В.И., Генова С.В., Топорова А.В., Ла-

рионова Н.В., Пестов Е.Ю. Состояние экосистемы р. Шаган и основные механизмы формирования //Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана: сб. научн. трудов /под рук. С.Н. Лукашенко. Вып. 2. Павлодар: Дом печати, 2010. С. 36-39.

3. Качество воды - определение активности трития, соответствующей данной концентрации - жидкостной метод сцинтилляционного счета. Международный стандарт 180 9698:1989 (Е). Введ. 1989-12-01. М.: ВЦП НТЛИД, 1990.

4. Качество воды. Применение масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). СТ РК ИСО 17294-2-2006. Астана: Ком. по техн. регулированию и метрологии М-ва индустр. и торговли РК, 2007.

5. Отчёт по республиканской бюджетной программе 011 «Обеспечение радиационной безопасности бывшего Семипалатинского испытательного полигона». Курчатов, Институт ядерной физики, 2005 г.

6. Установки дистилляционные опреснительные стационарные. Методы химического анализа солёных вод. ГОСТ 26449.1-85. Москва, 1987.

Identification of pathways for 3H migration into the Shagan River

Aidarkhanov A.O.1, Esimbekov A.Zh.1, Aktaev M.R.1, Anisimov V.S.2

1 Institute of Radiation Safety and Ecology of National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan, Kurchatov;

2 Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology, Russian Academy of Agricultural Sciences, Obninsk

Results of study of concentration of 3H in ground and surface water in the Shagan river valley running in the territory of the Semipalatinsk test site (STS) are presented in the paper. In the area between 4.7 and 7.7 km far from the "Atomic Lake" abnormally high concentration of tritium (about 43000 Bq/kg) in the ground water was detected. Concentration of 3H measured in the ground and surface water was compared with data of geological and geophysical studies carried out in the Shagan river valley. Main pathways of the tritium migration into the surface water of the river were examined. The relationship between the geology of the research area and 3H content in the ground and surface water was found and the basic pathway of 3H transport into the surface water was found, as well. Tectonic faults in the target area of the river are the main pathway for discharging 3H

polluted groundwater into the surface water.

Key words; undergi STS, Shagan River.

Key words; underground water, ground water, surface water, 3H, "Atomic Lake", tectonic faults,

Aidarkhanov A.O.* - Head of Dep.; Esimbekov A.Zh. - Engineer; Aktaev M.R. - Head of Group. IRSE NNC RK. Anisimov V.S. - Head of Lab., C. Sc., Biol. RIARAE.

•Contacts: 2 Krasnoarmeyskaya str., Kurchatov, Republic of Kazakhstan, 071 100. Tel.: 8(72251)2-74-51; e-mail: Asan@nnc.kz.