Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 4, стр. 53-66

ВВЕДЕНИЕ

В земной коре содержится относительно небольшое количество природных радиогенных элементов, которые не имеют стабильных изотопов и являются радиоактивными. К ним относятся изотопы урана (²³⁸U, ²³⁴U), тория (²³²Th) и радионуклиды, образованные в процессе их радиоактивного распада, – радий (²²⁴Ra, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra), радон (²²²Rn), полоний (²¹⁰Po), свинец (²¹⁰Pb) и др. [16]. Также в земной коре содержатся долгоживущие радионуклиды, имеющие и стабильные изотопы. Среди них калий (⁴⁰K), рубидий (⁸⁷Rb) и радионуклиды космогенного происхождения – углерод (¹⁴C), тритий (³H) и др. [1, 23]. Суммарная активность элементов природного происхождения составляет около 10²⁶ Бк, что примерно в 10 раз превышает активность техногенных радионуклидов [30].

Опасными для состояния здоровья населения являются техногенные радионуклиды, которые в отличие от природных, как правило, диспергированных в верхней части земной коры и не представляющих опасности, образуют радиотоксичные скопления. К источникам техногенных радионуклидов относятся испытания и разработка ядерного оружия, развитие атомной энергетики и ядерной медицины [3, 14, 26, 28, 29].

При работе атомных электростанций в штатном режиме в окружающую среду поступают, в основном, короткоживущие изотопы, в результате распада которых образуются более долгоживущие. К короткоживущим относятся изотопы ксенона, криптона и йода. Помимо упомянутых радионуклидов также образуются углерод (¹⁴C) и тритий (³H) [17, 19].

С выбросами и сбросами АЭС в окружающую среду могут поступать радионуклиды, образующиеся при делении ядер урана (²³⁵U) – изотопы цезия (¹³⁷Cs), стронция (⁹⁰Sr) и др. [18, 32, 33]. Техногенная радиоактивность подземных вод района расположения Ленинградской АЭС (ЛАЭС) характеризуется присутствием долгоживущих β- и γ-излучающих радионуклидов: цезий (¹³⁷Cs), стронций (⁹⁰Sr), тритий (³H) [7, 15, 20].

Определение и оценка радиационного фона окружающей среды и, в частности, подземных вод, – важные задачи геолого-гидрогеологических работ на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации объектов атомно-промышленного профиля.

Целью данного исследования является установление уровня радиоактивности и содержания природных и техногенных радионуклидов в подземных водах района расположения Ленинградской АЭС как основы для анализа данных мониторинга и прогноза воздействия радиационно-опасных объектов на подземные воды.

МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В Ленинградской области в промышленной зоне г. Сосновый Бор сосредоточены объекты атомной промышленности (рис. 1), где уже долгие годы осуществляется радиационный мониторинг подземных вод [12]. Контроль ведется службами радиационного мониторинга каждого предприятия. В подземных водах в основном определяют содержания суммарную α- и β-активности, ³H, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr.

Рис. 1.

Схема расположения объектов атомной энергетики Сосновоборского промышленного района, совмещенная с картой гидроизогипс грунтового водоносного горизонта (синие штриховые линии) на 2009 г. 1 – действующая АЭС (ЛАЭС); 2 – строящаяся АЭС (ЛАЭС-2); 3 – научно-исследовательский институт им. А.П. Александрова (НИТИ); 4 – КПО ЛАЭС; 5 – предприятие по сбору, переработке и хранению радиоактивных отходов (СЗТО ФГУП “РосРАО”); АБ – линия гидрогеологического разреза (рис. 2).

Для дальнейшей оценки воздействия объектов “атомного” профиля на природную среду, в частности на подземные воды, и определения основных источников воздействия, в рамках настоящего исследования на основании данных мониторинга за период 2010–2015 гг. проведены:

− анализ содержания в подземных водах естественных (природных) радионуклидов;

− анализ содержания техногенных радионуклидов в подземных водах;

− определение фоновых значений естественных и техногенных радионуклидов в подземных водах рассматриваемого района.

ГЕОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Геологический разрез на участке исследования представлен осадочными породами четвертичного, кембрийского и вендского возрастов, которые несогласно залегают на кристаллическом фундаменте [2, 8–11, 21, 31].

Один из основных природных объектов, содержащий естественные радионуклиды, – подземные воды. На исследуемой территории в осадочной толще выделяются подземные воды четвертичных и дочетвертичных отложений. Среди них можно выделить следующие водоносные горизонты: первыми от поверхности вскрываются – четвертичный (Q_IV) и ломоносовский (Є₁) водоносный горизонты, далее под мощной толщей глин (до 80 м) залегают подземные воды вендского водоносного комплекса (котлинский (V₂kt) и редкинский (V₂rd) водоносные горизонты) (см. рис. 2).

Рис. 2.

Гидрогеологический разрез по линии АБ (см. рис. 1). Уровень воды в: 1 – четвертичном, 2 – ломоносовском, водоносных горизонтах, 3 – вендском водоносном комплексе.

Четвертичный (Q_IV) водоносный горизонт развит практически повсеместно. Водовмещающие породы представлены надморенными песками различного генезиса. Горизонт подстилается слабопроницаемыми прослоями суглинков мощностью до 8 м, являющимися локальными водоупорами. Мощность четвертичного водоносного горизонта на большей части исследуемой территории не превышает 5 м. Максимальные мощности приурочены к палеодолинам (до 25 м).

Основным источником питания подземных вод четвертичных отложений является инфильтрация. Разгружаются воды в Копорскую губу Финского залива (см. рис. 1).

Региональное направление потока западное и северо-западное с градиентом 0.005–0.015. На исследуемой территории наблюдается инверсия потока, обусловленная локальными, в основном техногенными факторами, такими как дренажные системы действующих и строящихся здесь объектов.

Уровень грунтовых вод на рассматриваемой территории устанавливается на отметках 0.5–1.5 м от поверхности земли. Наблюдается гидравлическая связь подземных вод четвертичных отложений с нижележащим ломоносовским водоносным горизонтом. Грунтовые воды питают нижележащий водоносный горизонт и, как следствие, загрязняют его.

Ломоносовский (нижнекембрийский) водоносный горизонт (Є₁) сложен песками и слабосцементированными песчаниками. На рассматриваемой территории выделяют три водоносные зоны, разделенные глинистыми водоупорами. На территории ЛАЭС-2 распространены три водоносные зоны, на территории филиала ФГУП “РосРАО” – две, а за территорией КПО ломоносовский водоносный горизонт выклинивается. Его суммарная мощность постепенно уменьшается к зоне выклинивания на запад с 8–10 м до 0 м.

Основные источники питания подземных вод нижнекембрийских отложений – инфильтрация и перетекания из четвертичного горизонта. Область разгрузки находится в районе склона II приморской террасы, где происходит перетекание в вышележащий горизонт четвертичных отложений, который в свою очередь разгружается в Копорскую губу Финского залива. Региональный поток направлен на запад и северо-запад с градиентом 0.005–0.01. На исследуемой территории ломоносовский водоносный горизонт дренируется глубоким врезом долины р. Воронка и строительным карьером на территории ЛАЭС-2.

Уровень воды в скважинах, оборудованных на ломоносовский водоносный горизонт, устанавливается на отметках 1–2.5 м от земной поверхности.

Помимо уровней, о хорошей гидравлической связи первых двух водоносных горизонтов свидетельствует их химический состав (воды гидрокарбонатные кальциевые).

Непосредственно на исследуемой территории подземные воды четвертичного и ломоносовского горизонтов для водоснабжения не используются. Практическое значение для питьевого водоснабжения они имеют на границе Предглинтовой низменности.

Вендский водоносный комплекс подразделяется на два водоносных горизонта котлинский (V₂kt) и редкинский (V₂rd), гидравлически связанные друг с другом. От вышележащего ломоносовского водоносного горизонта он отделен мощной пачкой водоупорных котлинских глин (до 80 м), залегает на глубине 90–120 м. В верхней части разреза вендский комплекс сложен алевритами и глинами, в нижней – песчаниками [5, 10, 25, 27]. Мощность комплекса достигает 80 м.

Область современного питания горизонта приурочена к Центрально-Карельской возвышенности, где вендские отложения залегают близко к поверхности и перекрыты только четвертичными отложениями. Областью разгрузки этого горизонта принято считать Финский залив.

Комплекс содержит напорные воды и широко используется для централизованного и частного водоснабжения Санкт-Петербурга и Ленинградской области [4, 13]. В результате интенсивной его эксплуатации к 1977 г. напор вендского водоносного комплекса был снижен на 60–70 м, что привело к образованию обширной депрессионной воронки. В этот период в районе г. Сосновый Бор поток сменил свое направление в сторону Санкт-Петербурга. Затем суммарный водоотбор из вендского водоносного комплекса в Санкт-Петербурге и на Карельском перешейке стабилизировался, и началось постепенное восстановление уровней [6, 24, 31]. Направление движения поземных вод на участке исследований вернулось к естественному.

СОДЕРЖАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ИССЛЕДУЕМОГО РАЙОНА

Радиологическое опробование подземных вод четвертичного и ломоносовского водоносных горизонтов на содержание в них естественных радионуклидов проводилось в пределах территории ЛАЭС-2. В рамках радиационного мониторинга в 2010–2015 гг. были опробованы 8 скважин, 7 из которых оборудованы на ломоносовский водоносный горизонт (пробурены в период 2007–2010 гг.), и 1 скважина – на четвертичный (пробурена в 2012 г.) (рис. 3).

Рис. 3.

Места отбора проб на содержание в подземных водах четвертичного, ломоносовского водоносных горизонтов и вендского водоносного комплекса природных радионуклидов в районе ЛАЭС. Скважины, пробуренные на 1 – четвертичный водоносный горизонт; 2 – ломоносовский водоносный горизонт; 3 – вендский водоносный комплекс.

Основные определяемые компоненты – суммарная α- и β-активности, радионуклиды: радон (²²²Rn), радий (²²⁴Ra, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra), полоний (²¹⁰Po), свинец (²¹⁰Pb), торий (²³²Th), калий (⁴⁰K), уран (²³⁸U, ²³⁴U). Анализируя полученные данные, стоит отметить, что величины концентраций радионуклидов практически не изменялись из года в год, поэтому были рассчитаны средние значения за период наблюдений (табл. 1).

Удельные активности природных радионуклидов в четвертичном и ломоносовском водоносных горизонтах за весь период наблюдений не превышают нормативных значений по НРБ-99/2009.

Радиологическое опробование подземных вод вендского водоносного комплекса выполнялось с 2011 по 2015 г. в 3 скважинах, введенных в эксплуатацию в этот период (см. рис. 3, табл. 2). Определялось содержание тех же компонентов, что и в верхних горизонтах.

В период 2003–2010 гг. в районе г. Сосновый Бор были отобраны подземные воды на определение содержания в них природных радионуклидов (суммарная α- и β-активность, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ⁴⁰K) (рис. 4, табл. 3).

Рис. 4.

Места отбора проб на содержание в подземных водах вендского водоносного комплекса природных радионуклидов в районе г. Сосновый Бор. 1 – скважины; 2 – границы г. Сосновый Бор.

Полученные результаты указывают на повышенную естественную радиоактивность, в том числе, повышенное содержание ²²⁸Ra (среднее значение по скв. 6э/11 – 0.67 Бк/л, скв. 4/10 – 0.65 Бк/л), α-активности (до 3.87 Бк/л в скв. 6э/11 в 2011 г., скв. 8 – 1.44 Бк/л, скв. 9 – 2.2 Бк/л в 2010 г.), β-активности (до 3.18 Бк/л в скв. 6э/11 в 2011 г., скв. 8 – 4.05 Бк/л, скв. 9 – 3.05 Бк/л в 2010 г.). Указанные показатели превышают УВ по НРБ 99/09. Содержание ²²⁶Ra превышает в 3–6 раз УВ по НРБ 99/09.

Сравнивая результаты опробования вендского водоносного комплекса в районе г. Сосновый Бор и промышленном районе, где расположены предприятия атомной энергетики, стоит отметить, что содержания природных радионуклидов превышают УВ и имеют один порядок.

В табл. 4 приведены корреляционные связи между измеренными радиологическими показателями в солоноватых водах вендских отложений.

Из представленных результатов видно, что суммарная α-активность подземных вод вендского водоносного комплекса в большей степени представлена ²²⁶Ra, суммарная β-активность ²²⁸Ra. Концентрации в воде ²²⁶Ra и его дочернего радионуклида ²²²Rn имеют низкую степень связи друг с другом (коэффициент корреляции – 0.48). Относительно низкую взаимосвязь содержаний ²²⁶Ra и ²²²Rn можно объяснить принципиально различными механизмами их мобилизации подземными водами из породной матрицы. Оба покидают кристаллическую решетку материнских минералов за счет диффузии, однако для первого определяющими являются химические условия среды, а для второго – дисперсность твердого материала (породы и минералов). Для радия, находящегося в растворе, существенными оказываются механизмы сорбции–десорбции и соосаждения с барием, в то время как радон совершенно нечувствителен к этим процессам.

Низкая связь ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po является следствием наличия промежуточного изотопа ²¹⁰Bi и эффектом большей доступности заключительных членов цепочки распада для выщелачивания. Незначимый коэффициент корреляции k = 0.05 для пары ²²²Rn – ²¹⁰Pb указывает на то, что свинец выщелачивается непосредственно из породы, а не является продуктом распада цепочки ²²⁶Ra → ²²²Rn → → ²¹⁸Po → ²¹⁴Pb → ²¹⁴Bi → ²¹⁴Po → ²¹⁰Pb… в воде.

Высокая связь концентраций изотопов ²²⁶Ra и ²²⁸Ra, несмотря на их отношение к разным радиоактивным рядам (²³⁸U и ²³²Th соответственно), показывает, что содержание радия в воде контролируется не только наличием в водовмещающих породах минералов материнских радионуклидов, но и химическим составом воды. При этом соотношение их удельных активностей является важным показателем соотношения ²³⁸U и ²³²Th в породе.

Полученные результаты показывают, что в верхних (четвертичном и ломоносовском) водоносных горизонтах содержание природных радионуклидов в разы ниже УВ_В. Отметим также, что это содержание ниже, чем в вендском водоносном комплексе. Высокие содержания природных радионуклидов в последнем могут связаны с тем, что подземные воды вендского комплекса в региональном плане характеризуются повышенной радиоактивностью. Она связана в первую очередь с минералами урана и тория, встречающимися как в кристаллических породах фундамента, так и непосредственно в вендских водовмещающих породах.

СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТАХ ИССЛЕДУЕМОГО РАЙОНА

Для того, чтобы корректно проинтерпретировать данные режимных радиационных наблюдений и проследить распространение полей загрязнения подземных вод, необходимо определить фоновые концентрации техногенных радионуклидов.

Данные о фоновой радиоактивности (техногенной) подземных вод района Ленинградской АЭС крайне ограничены. До начала строительства объектов в районе г. Сосновый Бор в качестве ориентира принимались значения, полученные по речным водам и по единичным данным опробования подземных вод. Для ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs они не превышали единиц и первых десятков мБк/л [20].

Помимо содержания (активности) индивидуальных радионуклидов, определяемого радиохимическими или спектрометрическими методами, показателем радиоактивного загрязнения территории является определяемая радиометрически суммарная объемная β-активность подземных вод. Ее фоновые значения для территории Европейской части РФ составляют 1–4 Бк/л (без учета активности трития), из которых 50–80% обусловлены активностью ⁴⁰К.

Для определения содержания техногенных радионуклидов в подземных водах изучаемого района в качестве объекта исследования выбрана площадка ЛАЭС-2 по причинам: 1) ЛАЭС-2 располагается выше по потоку относительно других объектов “атомного” профиля (см. рис. 1); 2) на момент исследования на площадке ЛАЭС-2 не было действующих объектов, следовательно, ее можно считать неподверженной загрязнению по сравнению с площадками других объектов.

В период с 2010 по 2015 гг. на площадке ЛАЭС-2 и прилегающих территориях проводились исследования, которые позволили получить данные о величинах активности ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³H, α- и β-активности (рис. 5). Нормативы качества (уровни вмешательства) подземных вод по радиационным показателям, согласно НРБ-99/2009 составляют для (Бк/л): ³H –7600; ⁹⁰Sr – 4.9; ¹³⁷Cs – 11; α – 0.2; β – 1.

Рис. 5.

Места отбора проб на содержание в подземных водах четвертичного, ломоносовского водоносных горизонтов и вендского водоносного комплекса техногенных радионуклидов в районе ЛАЭС. Скважины, пробуренные на: 1 – четвертичный водоносный горизонт; 2 – ломоносовский водоносный горизонт; 3 – вендский водоносный комплекс.

Радиологическое опробование подземных вод выполнялось в 18 скважинах, оборудованных на четвертичный, ломоносовский и вендский водоносный комплекс (табл. 5).

Из представленных данных видно, что в целом в подземных водах содержание техногенных радионуклидов не превышает допустимых значений.

Распределение всего массива определений радионуклидов по интервалам значений, соответствующим различной степени превышения природного фона (загрязнения) подземных вод (рис. 6) показывает, что по техногенным радионуклидам, формирующим основные поля загрязнения (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³H), более 60% замеров находятся в пределах сотых и первых десятых долей, т.е. соответствуют фоновым концентрациям, а около 20% превышают их.

Рис. 6.

Гистограммы распределения содержания ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³H в подземных водах по результатам опробования 2010–2015 гг. на территории площадки ЛАЭС-2 и смежных территориях: (а) – четвертичный и ломоносовский водоносные горизонты; (б) – гдовский водоносный горизонт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрен один из природных объектов, содержащий как естественные, так и техногенные радионуклиды, – подземные воды. В пределах исследуемой территории были определены содержания радионуклидов в подземных водах четвертичного, ломоносовского водоносных горизонтов и вендского водоносного комплекса.

Согласно полученным результатам, основными естественными радионуклидами, содержащимися в подземных водах изучаемой территории, являются радон (²²²Rn), радий (²²⁴Ra, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra), полоний (²¹⁰Po), свинец (²¹⁰Pb), торий (²³²Th), калий (⁴⁰K), уран (²³⁸U, ²³⁴U).

В вендском водоносном комплексе как в пределах г. Сосновый Бор, так и в районе Ленинградской АЭС содержание естественных радионуклидов превышает УВ и в 2–10 раз выше, чем в верхних горизонтах. В подземных водах четвертичного и ломоносовского горизонтов УВ по содержанию естественных радионуклидов не превышены.

Стоит отметить, что подземные воды первых от поверхности водоносных горизонтов в районе исследований не используются для водоснабжения. Наличие в кровле вендского водоносного комплекса регионально выдержанной мощной глинистой толщи характеризует его как изолированный в разрезе и свидетельствует о его защищенности от загрязнения. Подземные воды вендского комплекса могут быть использованы для водоснабжения только после водоподготовки.

Исходя из представленных результатов, можно заключить, что для подземных вод рассматриваемого района характерна естественная радиоактивность:

− в четвертичном и ломоносовском водоносных горизонтах по радию (²²⁴Ra < 0.01 Бк/л, ²²⁶Ra < < 0.1 Бк/л, ²²⁸Ra < 0.3 Бк/л), свинцу (²¹⁰Pb < < 0.01 Бк/л), полонию (²¹⁰Po < 0.04 Бк/л), радону (²²²Rn < 10 Бк/л), торию (²³²Th < 0.03 Бк/л), калию (⁴⁰K < 0.2 Бк/л), урану (²³⁸U < 0.07 Бк/л, ²³⁴U < < 0.01 Бк/л);

− в вендском водоносном комплексе по радию (²²⁴Ra < 1.3 Бк/л, ²²⁶Ra – 0.02–3.1 Бк/л, ²²⁸Ra – 0.01–1.1 Бк/л), свинцу (²¹⁰Pb < 0.01 Бк/л), полонию (²¹⁰Po < 0.02 Бк/л), радону (²²²Rn – 5–14 Бк/л), калию (⁴⁰K – 0.35–1.4 Бк/л).

Техногенная радиоактивность подземных вод представлена радионуклидами ³H, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs. В целом их значения на рассматриваемой территории не превышают УВ. Таким образом, в районе расположения Ленинградской АЭС для техногенных радионуклидов характерны следующие фоновые значения: ³H – 1.0–4.0 Бк/л; ⁹⁰Sr – 0.004–0.030 Бк/л; ¹³⁷Cs – 0.003–0.040 Бк/л. Фон по β-активности, на основании вышеизложенного, принимается равным 0.03–1.0 Бк/л, α-активности – 0.02–0.2 Бк/л.

Согласно полученным результатам, средние значения ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr на территории ЛАЭС-2 в целом лежат в пределах фоновых значений. Средняя объемная активность ³H не превышает 3.5 Бк/л в 60% исследуемых скважин, и в 16% скважин – 10 Бк/л. При этом высокие значения обусловлены единичными замерами, которые в дальнейшем вернулись на уровень фоновых значений. Таким образом, территорию площадки ЛАЭС-2 следует рассматривать в качестве “фоновой”.

Полученные результаты будут положены в основу дальнейших исследований с целью оценки воздействия объектов “атомного” профиля на загрязнение подземных вод и определения основных источников воздействия в районе Ленинградской АЭС.