Влияние подземных емкостей, созданных ядерными взрывами, на инженерно-геологические и экологические условия окружающей среды Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ

УДК 624.131

ВЛИЯНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ЕМКОСТЕЙ, СОЗДАННЫХ ЯДЕРНЫМИ ВЗРЫВАМИ, НА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

© 2006 г. Ю.П. Николаев

Обводнение емкостей

Источники обводнения полостей подземных емкостей до конца не изучены. По одной из версий, причинами обводнения являются: техногенная вода, попавшая в подземную емкость при первичном вскрытии после ее формирования (подземные емкости 2Т, 4Т, 5Т, 7Т - 9Т), выделение сопутствующих пластовых вод при хранении газоконденсата (подземные емкости 1Т, 3Т, 6Т, 10Т - 15Т). Существует также предположение, что конвертируемые емкости постепенно заполнялись водами малодебитных тер-ригенных пропластков. По мнению С.Г. Геворкяна и Б.Н. Голубова (1998) [1], главной причиной являются взрывы.

Изменение структуры горных пород, обусловленное подземным ядерным взрывом, влечет за собой существенные изменения их важнейших гидрогеологических характеристик.

Если до проведения подземного взрыва породы и могли быть практически водонепроницаемы, то после взрыва в зоне разрушения создаются весьма благо -приятные условия для активного водообмена. При близком расположении водоносного горизонта зона разрушения неизбежно будет охвачена интенсивной циркуляцией подземных вод. В соленосных или других легкорастворимых толщах пород зона подземного ядерного взрыва оказывается весьма благоприятной средой для развития процессов выщелачивания и карстования, за которыми следуют деформации вышележащих толщ, просадки земной поверхности, сейсмичность, грифоны, преобразование ландшафтов, экосистем и другие необратимые явления.

В собственно взрывную стадию сформировалась зона трещиноватости горных пород, объединившая окрестности всех 15 полостей подземных ядерных взрывов в районе АГКМ и подверглась обводнению за счет притока подземных вод, поступавших из тех многочисленных водоносных горизонтов надсолевого структурного этажа, которые контактируют с прираз-ломными крутыми бортами соляных гряд. Не исключено поступление сюда и подземных вод из покровного комплекса плиоцен-четвертичных отложений, по-

скольку после ядерных взрывов целостность водоупорных слоев акчагыльского и апшеронского возраста была нарушена [1].

В.И. Смирнов и др. (2000) [2] связывают обводнение с ослабленными тектоническими зонами над куполом, поскольку купол каменной соли и перекрывающие его осадки рассечены редкими субдолготными неотектоническими нарушениями с амплитудой до 40 м и в кровле кепрока, и постепенным затуханием подвижек к подошве четвертичных отложений (рис. 1). По этим ослабленным тектоническим зонам в течение геологического времени происходила фильтрация легких газов - метана и гелия. Если такая относительно проницаемая зона пересекала область тре-щиноватости, образованную вокруг сухой подземной емкости в ходе подземного ядерного взрыва (ПЯВ), то появлялась возможность весьма замедленной (в течение многих лет) фильтрации воды в эту емкость из ближайшего к ней водоносного горизонта или рапо-носной зоны, а после ее затопления и конвергенции, обратной фильтрации в водоносные горизонты.

По мнению автора (совместно с В.И. Синяковым и С.В.Кузнецовой, 1995) [3], обводнение может быть вызвано современными тектоническими движениями Сеитовского купола и формированием над ним зон растяжения в надсолевом комплексе. Для этой зоны характерны повышенная трещиноватость и флюидо-проницаемость пород, (включая водоупоры), усиленный газо- и водообмен. Чрезвычайно важным является также сокращение мощности акчагыльского водоупора до 53 м в результате новейших движений купола.

Не менее важно также отметить, что большинство соляных куполов Прикаспийской впадины играют роль очагов связи различных водоносных горизонтов, по которым происходит восходящая фильтрация подземных вод. Это же относится и к Астраханскому своду, где на сгибе межкупольных мульд с куполами по тектоническим нарушениям осуществляется гидравлическая связь водоносных горизонтов мезозоя и кайнозоя [4].

СЗ 0

- 100 - 200

- 300

- 400

- 500

- 600

- 700

- 800 - 900

- 1000 - 1100 - 1200

- 1300

- 1400

- 1500

- 1600

- 1700

- 1800

- 1900 -2000

- 2100

43 A

Li 43 A-I 43А-2 5J 6^1

ЗТ

Д5 п

я? -л

,,-JQ. ■

- r-Vj-jg ¿ЯГ-*'■

.---.v-vj

1912,5 о

ЮВ

" 0

- 100 - 200

- 300

- 400

- 500

- 600

- 700

- 800

- 900

- 1000 ' - 1100

- 1200

- 1300

- 1400

- 1500

- 1600

- 1700

- 1800

- 1900 -2000

- 2100

Q

N

P

т

1745

4070

Рис. 1. Геолого-технический разрез по линни скважин 43 А-1, 43А, 43А-2.5Т, 601, ЗТ.605 (по В.Н. Смирнову):

1 - четвертичные отложения; внизу - известковистые глины и пески, вверху - пески, суглинки и супеси;

2 - неоген; Акчагыльский и ашперонский ярусы. Пески, глины, песчаник; 3 - палеоген. Глинистые, аргилли-товые отложения; 4 - мел, известково-мергелистая порода; 5 - юра. Песчано-глинистые отложения; 6 - триас. Известково-мергелистые и песчано-глинистые отложения; 7 - нижняя пермь, кунгурский ярус. Кепрок.

Каменная соль; 8 - предполагаемая рапоносная зона; 9 - предполагаемые ослабленные зоны

Разупрочнение горных пород

По данным ВНИПИ Промтехнологии (ТЭО на за-

Каждый ядерный взрыв возбуждает в недрах крытие полостей, ШГ), вторич^ (шсда взрывов)

множество первичных радиационных, физико- физико-механические свойства соли для объектов

механических, термических и химических процессов Вега Лира и Галит (Азгир) после взрыва го^н^тм

продолжительностью от долей секунды до нескольких (ухудшаются) на расстоянии примерно до 10 радиусов

минут, за которыми следует развитие вторичных ра- полости от центра взрыва, причем снижение первич-

диационных, геолого-геофизических и геохимических ной прочности на одноосное сжатие на 20-30 % на

процессов, имеющих длительность в месяцы и годы. расстоянии 2,5-3,0 радиуса полости и примерно на

1

2

3

4

I

5

6

7

8

9

10 % на расстоянии 10 радиусов полости. Модули упругости на расстоянии 2,5-3,0 радиуса полости также снижаются на 25 %. Приведенные данные согласуются с результатами воздействия ПЯВ на горные породы в США, описанными в книге «Применение подземных ядерных взрывов в нефтегазодобывающей промышленности, 1981».

По этим данным, при воздействии ядерных взрывов на соляные горные породы образуется несколько характерных зон разрушения с резко отличающимися характеристиками: 1) полость взрыва; 2) зона дробления пород; 3) столб обрушения; 4) зона интенсивной трещиноватости (развития радиальных и тангенциальных трещин); 5) зона упругих и квазиупругих деформаций без видимых нарушений целостности горного массива (единичные трещины).

Зона дробления характеризуется интенсивной раздробленностью породы, блочным строением, наличием пересекающихся систем макротрещин с интенсивной микротрещиноватостью блоков пород, при этом микротрещиноватость отмечается даже в кристаллах минералов. В зоне интенсивной трещиноватости ярко выраженная макротрещиноватость затухает и переходит в систему взаимопересекающихся макро и микротрещин. За этой зоной отмечаются макро и микротрещины, которые радиально расходятся от полости взрыва в массиве пород. Размеры зон разрушения составляют: радиус зоны дробления 2,5 - 3,0 радиуса полости, радиус зоны интенсивной трещиноватости 5,0 - 6,5 радиусов полости и радиус зоны распространения единичных радиальных трещин приблизительно равен 1,5 радиуса зоны трещиноватости. В реальности диаметр зон динамического влияния ядерных взрывов может быть значительно больше расчетного, в результате интерференций отраженных импульсов, что было установлено на двух нефтяных месторождениях в СССР. Поэтому важен такой элемент технологической схемы создания подземных емкостей, как расположение ядерных зарядов относительно границ раздела пород с различными акустическими жесткостями.

Учитывая сложную конфигурацию Сеитовского соляного купола и расположение зарядов преимущественно в его бортах, особенно для скважин 7Т, 8Т и 9Т, можно было ожидать значительных обрушений соли в полости от отраженных волн даже в момент их создания. Однако, как показало первое обследование емкостей в 1982 - 1983 г., этого не произошло, но могло отразиться на последующей устойчивости емкостей во времени [5].

Деформация полостей

По представлениям специалистов ООО «Подзем-газпром» на основании обширного опыта камуфлет-ных ядерных взрывов в России и за рубежом динамика деформирования внутри и вокруг каждой емкости включает три главных процесса:

- стекание (в первые часы после создания каждой полости) слоя расплава (оплавленных соленосных

пород толщиной порядка 0,5 м) со стенок и кровли исходной шаровой полости на дно и последующее постепенное затвердевание линзы расплава;

- конвергенция вмещающего полости массива каменной соли под воздействием геостатического (горного) давления вследствие ползучести соли при отсутствии противодавления в полости или недостаточной его величины;

- обрушение каменной соли с кровли на дно, с разрыхлением примерно вдвое.

В результате обрушений со свода за длительный период (15 - 19 лет) слоя соли мощностью более радиуса исходной полости вся выработка, частично «заплывшая» вследствие конвергенции, будет представлять собой пустотный коллектор из раздробленной соли с размерами кусков от долей миллиметров до нескольких метров.

Заполнение резервуаров газовым конденсатом, водой, либо тем и другим вместе может замедлить рассмотренные выше процессы деформирования за счет возникающего противодавления, уравновешивающего внешнее геостатическое давление горных пород на стенки подземных полостей, а также взвешивающего действия рассола, либо ускорить их за счет смазывающего, растворяющего и ослабляющего воздействия рассола, проникающего в соль по трещинам.

По этим причинам семь полостей, заполненных газовым конденсатом, сохранили до 40 - 50 % объема и, по-видимому, могут быть использованы по назначению.

Процессы внезапного обрушения соли со свода и непрерывного «заплывания» полости вследствие конвергенции развиваются одновременно и взаимно влияют друг на друга, так что наблюдаемое ныне состояние каждой полости является результатом их комбинированного воздействия за истекшие годы.

Важным фактором формирования наблюдаемого ныне состояния полостей, не заполненных конденсатом и находившихся длительное время без противодавления, явилось их обводнение после 1990 г.

Главными причинами конвергенции емкостей считается отсутствие в них противодавления в течение длительного периода, а также пониженные прочностные, деформационные и реологические характеристики и аномальный термический режим массива каменной соли. И все же одной из важнейших причин конвергенции резервуаров Сеитовского купола и соответствующие изменения напряженного состояния, по мнению автора, следует считать периодические подъемы и опускания, расшатывающие и без того ослабленную трещиноватую зону над куполом и вокруг емкостей.

Оседания земной поверхности

По расчетам С.Г. Геворкяна и др. (1998) [1], над совокупностью нескольких подземных емкостей возможно образование общего свода оседания (рис. 2).

5

ансамблем взрывных камер по С.Г. Геворкяну и др., (1998); 1 - взрывная камера; 2 - первичные своды обрушения; 3 - вторичный свод обрушения; 4 - общий свод обрушения; 5 - дневная поверхность

По их предварительным оценкам, на площади 15x8 км со временем ожидается развитие взаимно пересекающихся магистральных линейных провалов земной поверхности в виде грабенов шириной до 50 м с амплитудой до 0,7 м, осложненных более мелкими оперяющими разрывами. Один из таких магистральных грабенов может возникнуть по линии подземных полостей: 7Т-12Т-5Т-2Т-9Т, а другой - вдоль линии 13Т-ЭТ-4Т. Развитие оперяющих разрывов или более мелких грабенов предполагается в виде системы относительно узких линейных полос, соединяющих между собой центральные зоны полостей подземных ядерных взрывов. Эти полосы могут быть значительно расширены над самой полостью и иметь в плане чет-ковидную форму.

Особое внимание следует уделять динамике развития провальных явлений вдоль бортов Аксарайско-Утигенской соляной гряды, осложненных флексурами и разломами с признаками неотектонической активности. Как уже отмечено, к поверхностям этих разрывов примыкает множество горизонтов подземных вод мезозой-кайнозойского осадочного чехла, циркуляция которых существенно ослабляет прочность легкорастворимых горных пород АГКМ [1].

Радиационное загрязнение литосферы и гидросферы

Практически одновременная деформация в 1986 г. подземных полостей и резкое сокращение их объемов обеспечило отжимание из них под большим давлением радиоактивного рассола, который по стволам нескольких боевых скважин стал подниматься на дневную поверхность.

Прогнозные оценки С.Г. Геворкяна и Б.Н. Голу-бова [1] радиационного загрязнения геологической среды заключаются в том, что в случае подтверждения их прогноза о возникновении техногенных провалов земной поверхности на АГКМ может резко измениться и радиационная обстановка. Не исключено, что провалы уже существуют на АГКМ, но задача их картирования пока не ставилась. При этом следует иметь в виду, что наличие здесь подвижных песков может

осложнить визуальное обнаружение этих провалов, до тех пор пока они не возникли. Поток радионуклидов из аварийных полостей подземных ядерных взрывов является локальным, поскольку приурочен в основном к стволам технологических скважин, но с возникновением техногенных просадок рельефа радиоактивное заражение местности неизбежно должно приобрести площадной характер, так как на пути миграции радионуклидов, выносимых из полостей ядерных взрывов потоками подземных вод станут контролироваться преимущественно системой вновь возникших разрывных нарушений. О реальности развития событий в таком направлении свидетельствует упомянутое выше дренирование на дневную поверхность радиоактивного рассола из полости А-1 на соляном куполе Азгир, а также наличие аналогичных провалов рельефа над полостями ядерных взрывов в других районах. Признание этих худших опасений ведет к необходимости и соответствующей заблаговременной организации службы радиационной безопасности на АГКМ.

Выводы

1. При сооружении емкостей методом подземных ядерных взрывов, отсутствует противодавление на стенки полости за весь период отработки до заполнения.

2. В результате воздействия ядерного взрыва вокруг полости создается несколько концентрических зон разрушения горных пород с ухудшенными физико-механическими свойствами.

3. При проведении ядерных взрывов возможна активизация тектонических разломов в солевом массиве и надсолевой толще, способная изменить их водопро-водимость, вызвать затопление и аварии емкостей.

4. Возможность радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Литература

1. Геворкян С.Г., Голубое Б.Н. О деформациях полостей подземных ядерных взрывов в районе Астраханского га-зоконденсатного месторождения (АГКМ) // Геоэкология. 1998. № 2. С. 17 - 37.

2. Смирнов В.И., Федоров Б.Н.Ю Манукьян В.А., Шефорен-ко Е.М. Горногеологические процессы в подземных полостях на Астраханском газоконденсатном месторождении // Геоэкология. 2000. № 3. С. 207 - 215.

3. Синяков В.Н., Кузнецова С.В., Николаев Ю.П. Геоэкологические последствия создания подземных емкостей в массивах каменной соли методами выщелачивания и подземных ядерных взрывов // Науч. тр. ВолГАСА. Волгоград, 1995.

4. Титков А.П. Система радиационного мониторинга района подземных емкостей 1Т - 15Т Астраханского газокон-денсатного месторождения. Рабочий проект. Т. 1 / ВНИ-ПИпромтехнология М., 1995.

5. Мясников К.В., Родионов В.Н., Сизов Н.А., Дороднов В.Ф., Лукишов Б.Г. Анализ причин сокращения объёмов подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в массиве каменной соли на Астраханском газоконденсат-ном месторождении // Геоэкология. 1998. № 5. С. 16 - 29.

20 июня 2006 г.

Волгоградский архитектурно-строительный университет