Температурный режим «Атомного» озера (Семипалатинский испытательный полигон) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 50.361

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ «АТОМНОГО» ОЗЕРА (СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ПОЛИГОН)

Дмитрий Евгеньевич Аюнов

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, ведущий программист, тел. (383)333-03-99, e-mail: [email protected]

Альберт Дмитриевич Дучков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Сергей Алексеевич Казанцев

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Виталий Владимирович Романенко

Институт радиационной безопасности и экологии РГП НЯЦ, 071100, Казахстан, г. Курчатов, ул. Красноармейская, 2, начальник группы полевых исследований, e-mail: [email protected]

Сергей Борисович Субботин

Институт радиационной безопасности и экологии РГП НЯЦ, 071100, Казахстан, г. Курчатов, ул. Красноармейская, 2, начальник лаборатории исследования опасных природно-техноген-ных процессов, тел. (722)512-34-13, e-mail: [email protected]

Представлены результаты первых температурных исследований «Атомного» озера на территории Семипалатинского испытательного полигона. Установлен слой сезонного влияния и относительно стабильная область, выявлены особенности распределения температурного градиента, в частности, изменение его знака и интервал, где наблюдается минимальная температура.

Ключевые слова: подземные ядерные испытания, температурный режим, «Атомное» озеро.

TEMPERATURE REGIME OF «ATOMIC LAKE» (SEMIPALATINS TEST SITE)

Dmitry E. Ayunov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Leading Programmer, tel. (383)333-03-99, e-mail: [email protected]

Albert D. Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Doctor of Sciense, Chief Reasearcher, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Sergey A. Kazantsev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Head of the Laboratory of Hydrogeology of sedimentary basins of Siberia, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Vitaly V. Romanenko

Institute of Radiation Safety and Ecology NNC, 071100, Kazakhstan, Kurchatov, Krasnoarmeyskaya Srt. 2, Head of Field Group, e-mail: [email protected]

Sergey B. Subbotin

Institute of Radiation Safety and Ecology NNC, 071100, Kazakhstan, Kurchatov, Krasnoarmeyskaya Srt. 2, Head of the Laboratory of dangerous nature and technogenic processes, tel. (722)512-34-13, e-mail: [email protected]

The results of the first studies of the temperature «Atomic» lake in the territory of Semipalatinsk Test Site. A layer of a seasonal influences and a relatively stable zone are established. The distribution features of the temperature gradient, in particular, changing of its sign and a minimum temperature interval are identified.

Key words: underground nuclear testing, temperature regime, «Atomic» lake.

15 января 1965 г. на территории Семипалатинского полигона в месте слияния рек Чаган и Ащи-Су (100 км от г. Семипалатинск) был осуществлен первый в СССР мирный подземный ядерный взрыв [1]. Его целью было создание в сухих казахских степях водохранилища. В результате этого взрыва на месте воронки образовано искусственное озеро, которое впоследствии получило название «Атомное». Снаряд был заложен в скважине на глубине 178 м в углисто-глинистых сланцах нижнекаменноугольного возраста. На месте взрыва образовалась круглая воронка диаметром около 400 м и глубиной до 100 м. После взрыва долину реки Чаган соединили с воронкой каналом для пропуска талых вод. Тем самым были созданы условия для образования «Атомного озера» (рис. 1). Воронка была заполнена водой в первый же весенний паводок 1965 г. За прошедшие 50 лет в результате оползневых процессов глубина центральной части озера уменьшилась примерно на 15 -17 м. Соответственно, уменьшился и объем воронки. С момента образования озера происходило его постепенное засоление. Только за три года после взрыва содержание солей в воде водохранилища увеличилось по сравнению с первым годом (1,3 г/л) в 6 раз. В настоящее время сотрудниками Института радиационной безопасности и экологии НЯЦ (г. Курчатов) зафиксированы значительные сезонные изменения содержания трития в воде озера. Возможно, эти изменения связаны с сезонными вариациями температуры воды на разных уровнях. Для изучения этих вариаций авторами были выполнены специальные исследования, результаты которых представлены в данной статье. Необходимо отметить, что до наших работ температурный режим озера не изучался (по крайней мере, нам не удалось найти такой информации в открытых источниках). Можно только высказать некоторые соображения о факторах, формировавших распределение температуры на начальном этапе. Судя по

проведенному нами позднее термокаротажу в наблюдательных скважинах Семипалатинского полигона [2], температура горных пород в районе взрыва не превышала 6-7 0С. До заполнения водой 1,5-2 зимних месяца стенки воронки охлаждались, а может, и успели промерзнуть. Весной воронка заполнилась талой водой с температурой порядка 0-3 °С. Впоследствии каждый год в воронку поступала весной порция холодной (плотной) воды.

Измерения температуры (Т) водной толщи «Атомного» озера продолжались более двух лет (2013-2015 гг.). В этот период был проведен термокаротаж водной толщи с лодки в разных пунктах акватории и выполнены дительные измерения температуры вдоль придонного профиля.

ТЕРМОКАРОТАЖ ВОДНОЙ ТОЛЩИ

Для измерений температуры использовался скважинный термометр с термисторным датчиком. Инструментальная точность оценки Т составляла 0,02-0,03 °С. Измерения проводились с лодки через 2-2.5 м в интервале глубин 10-85 м, начиная со дна. Всего на озеро совершено три поездки в 2013 и 2014 гг., во время которых изучено распределение Т в 30 пунктах акватории (рис. 1).

Рис. 1. «Атомное» озеро. Отмечены пункты термокаротажа водной толщи в июле, октябре 2013 г. и в июне 2014 г. (точки) и станция мониторинга температуры придонной воды (красная точка - расположение измерителя, синяя линия - расположение термокосы)

По результатам измерений составлен температурный разрез водного слоя, представленный на рис. 2. Значительные колебания температуры зафиксированы только в пределах верхней части водного слоя (примерно до 30 м). Они, скорее всего, вызваны сезонными изменения Т водной поверхности и ветроволновым перемешиванием. На больших глубинах разновременные температурные измерения привели в целом к одинаковым результатам. Установлено, что в интервале 20-40 м температура воды постепенно

уменьшается с глубиной. Минимальное значение Т порядка 0.8 0С зафиксировано на глубине 40 м. Глубже температура повсеместно нарастает, достигая максимальных значений (-3-3,1 °С) на глубинах 80-85 м. В этом слое отчетливо фиксируются два интервала (40-60 и 60-85 м), отличающихся по темпу увеличения Т. В первом интервале температура увеличивается медленно, геотермический градиент здесь составляет всего 10 мК/м. В придонном слое (60-85 м) геотермический градиент возрастает до 70 мК/м. Такой градиент может быть причиной конвективного перемешивания водных слоев, о чем, в частности, может свидетельствовать и значительный разброс (-0,1-0,2 °С) разновременных значений Т. Наиболее высокая стабильность температуры причем при разной направленности ее изменения, наблюдается выше в слое 30-60 м. Сопоставление измерений температуры на одинаковых глубинах в водной толще и на дне показало их хорошее соответствие (рис. 2). Создается ощущение, что изотермы в озере занимают горизонтальное положение. Это наблюдение было использовано нами при организации станции температурного мониторинга.

Температура, С

0 12 3 4

0

10

20

30

2

ев 40

К К 50

ю

^ 60

С 70

80

90

100

1 , 1—

Ж 1 ■ А ♦

—1 * ♦-

4 ч, "И >

Г 4 ♦ * *

25 июля 2013 (дно) 25 июля 2013 а 17 октября 2013 Рис. 2. Температурные разрезы и температура дна «Атомного» озера

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ МОНИТОРИНГ

Для проведения более детальных наблюдения за изменениями температуры водной толщи во времени на южном берегу озера была организована станция температурного мониторинга (рис. 1), включающая измерительную косу и автономный измеритель. В качестве несущего и соединительного провода измерительной косы использован трехжильный провод КГ ХЛ 3*0.75, на котором были распаяны через 10 м цифровые датчики температуры Б818Б20 (всего 17 датчиков). Длина измерительноя косы - 170 м. Инструментальная точность измерений Т цифровыми датчиками -0,05 0С. Все датчики подключены параллельно. Герметизация датчиков осуществлялась

с помощью термоусаживаемой трубки с клеевым слоем. В качестве измерителя использована автономная станция температурного мониторинга (АСТМ), разработанная в ИНГГ СО РАН [3]. Аппаратура обеспечивает измерение, сбор, хранение данных с цифровых и аналоговых датчиков температуры. АСМТ работает в диапазоне температур от -20 до +40 0С, обслуживает до 30 измерительных каналов, может работать в автономном режиме до 6 мес., период измерений может изменяться от 20 с до 24 часов.

Аппаратура была установлена на озере в июне 2014 г. Первоначально планировалось разместить косу вертикально в центральной, наиболее глубокой, части озера. Однако на данном этапе пришлось ограничиться установкой термокосы на дне перпендикулярно к берегу (рис. 1). Угол склона в этом месте озера составляет примерно 400. Ранее было показано (рис. 2), что значения Т дна и воды, измеренные на одной глубине, удовлетворительно совпадают. Измеритель размещался на берегу на высоте около 1.5 метров над уровнем воды. Станция проработала до марта 2015 г., когда она была затоплена во время паводка и обвала склона.

Результаты мониторинга представлены на рис. 3, характеризующем распределения Т в водной толще «Атомного» озера во времени с июня 2014 г. по март 2015 г.

Рис. 3. Динамика температурного разреза водной толщи «Атомного» озера во времени с июня 2014 г. по март 2015 г.

Результаты мониторинга в целом подтвердили описанные выше особенности распределения температуры в «Атомном» озере.

Наиболее важным результатом выполненных исследований является выявление устойчивой температурной стратификации, установившейся в водной толще озера за прошедшие 50 лет. Установлено наличие слоев воды с относительно стабильным температурным режимом, слоев с различным температурным градиентом, вероятно, связанных с неизвестными пока

процессами. Очевидно, что для изучения причин стратификации необходимо выполнить исследования минерализации воды на разных глубинах, роли талых и подземных вод, сезонных и многолетних вариаций температуры и др.

Исследование выполнено по плану базовых научно-исследовательских работ Лаборатории естественных геофизических полей ИНГГ СО РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ядерные испытания СССР: современное радиоэкологическое состояние полигонов / Кол. авторов под рук. проф. В.А. Логачёва. - М: Изд. АТ, 2002. - 639 с.

2. Дучков А.Д., Аюнов Д.Е., Пермяков М.Е., Соколова Л.С., Субботин С.Б., Романенко Мониторинг температуры в наблюдательных скважинах Семипалатинского испытательного полигона // Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами: Материалы междунар. конф., 18-19 сентября 2012 г. -Алматы: КазНТУ им. К.И. Сатпаева, 2012. - С. 277-284.

3. Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Дучков АД. Устройство для оперативного температурного мониторинга // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. -С.203-207.

© Д. Е. Аюнов, А. Д. Дучков, С. А. Казанцев, В. В. Романенко, С. Б. Субботин, 2016