Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 1, стр. 21-33

Основные методы исследований:

1. Структурно-геоморфологический, позволивший определить, в пределах каких региональных и локальных новейших структур расположены площадки различных АЭС, а также формы рельефа, являющиеся показателями проявления современных тектонических процессов.

2. Литологический метод включал изучение отложений, являющихся основанием площадок, их вещественного состава, фаций, трещиноватости, определение участков неустойчивого их состояния, способного вызвать развитие и активизацию суффозии, оседания и других процессов.

3. Структурно-кинематический, включающий изучение трещиноватости пород, определение типов трещин, построение стереограмм с показом осей тектонических напряжений и реконструкции полей напряжения.

4. Геохимический, заключающийся в применении радоновой съемки в зонах предполагаемых разрывных нарушений.

5. Структурно-геодинамический, позволяющий на основании результатов, полученных разными методами, определить современные геодинамические условия территорий АЭС и прогнозировать развитие процессов, вызывающих негативные явления на площадках.

Все методы применялись в комплексе с данными бурения, гидрогеологии, геофизики, геодезии с учетом техногенного фактора.

С целью выяснения причин проявления негативных процессов, механизмов их развития и выработки рекомендаций по снижению их негативного влияния на площадку АЭС, структурно-геодинамические исследования были сгруппированы в три блока [3, 7]. В первом блоке рассматривается геологическое строение, и, в первую очередь, литология отложений площадки АЭС, структурно-геоморфологические и гидрогеологические условия района. Во втором и третьем блоках исследуются неотектоника и геодинамические условия формирования структур. Во всех блоках исследования учитывались основные факторы, влияющие в комплексе или по отдельности на устойчивость территорий к негативным современным геологическим процессам. Исследования проводились в разных масштабах – региональном на территории в радиусе 30–50 км от площадки АЭС, и детальном в радиусе 3–5 км, включающим площадку и ее окрестности. На основе оценки различных факторов была сформулирована “Основа концепции геодинамической безопасности экологически опасных сооружений”.

В целях определения устойчивости сооружений АЭС нами оценены следующие факторы: 1) вещественный состав пород или литология отложений, 2) структурно-геоморфологические условия, 3) гидрогеологические условия и 4) структурно-геодинамические условия. Кроме того, получены данные, имеющие теоретическое значение для новейшей тектоники платформ и, в частности, Восточно-Европейской.

Вещественный состав пород или литология отложений

Лессовые образования. Обычно геологические разрезы отложений на территориях АЭС начинаются сверху покровными четвертичными образованиями, в составе которых лессы или лессовидные суглинки, разделенные горизонтами погребенных почв. Их мощность больше на древних высоких геоморфологических поверхностях, минимальны на молодых низких. Лессы и суглинки известковистые, пористые, трещиноватые, что, как известно, вызывает при их намокании образование просадок на поверхности, развитых во всех исследованных районах. Это способствует скоплению поверхностных вод в понижениях, их инфильтрации в подстилающие отложения, особенно в пески, и развитию суффозии. При строительстве котлованов под сооружения и выравнивании площадок покровные образования срезаются, и тогда основанием площадок являются пески разного генезиса, или подстилающие их коренные породы.

Песчаные отложения. Одно из условий при выборе районов для строительства АЭС, помимо безопасности в отношении разломов и сейсмичности, прочности динамических свойств грунтов, служащих основанием зданий и сооружений, – потребность использовать воду для охлаждения реакторов. Поэтому многие АЭС построены в речных долинах (Балаковская, Курская, Воронежская, Чернобыльская, Ровенская и др.), на берегах водохранилищ (Ростовская, Белоярская, Смоленская и др.) или озер (Калининская, Кольская и др.), часто наследующих прогибы. Основными формами рельефа в таких местах являются поймы и террасы рек (и озер), флювиогляциальные долинные зандры, сложенные обычно песками (рис. 1).

Рис. 1.

Схематические разрезы отложений в районах размещения площадок некоторых атомных станций: 1 – ледниковые отложения (морена); 2 – покровные суглинки; 3 – пески, супеси, 4 – глины; 5 – известняки; 6 – доломиты; 7 – мергели; 8 – песчаники; 9 – гипсы, ангидриты. Цифры слева от колонок – гипсометрические отметки кровли слоев (в метрах), справа – мощность слоев (вертикальный масштаб не выдержан). Геологические индексы: морены разновозрастных четвертичных оледенений: gIds – донского, gIId – днепровского, gIbr – березинского, gIIsz – сожского; флювиогляциальные отложения оледенений: fIds – донского, fIbr – березинского, fIIsz – сожского; N₁ – миоцен, N₂ – плиоцен, N₁–P₃ – олигоцен-миоцен, P₁–P₂ – ранний-средний палеоген, K₂ st – верхний мел сантонский ярус, K₂ – верхний мел, J – юра, P₂ – средняя пермь, D₂ – средний девон, D₃ – верхний девон, S – силур, O – ордовик, C – кембрий, V – венд, A-PR – архей-протерозой.

Пески, слагающие грунтовое основание многих площадок АЭС, неоднородны по механическому и фациальному составу, изменяющемуся по латерали и вертикали, что связано с отложением их при разных динамических режимах потоков в различных по размеру руслах, постоянно меняющих свое положение. Большие врезанные палеорусла заполнены крупным песком с гравием и галькой, в меньших по размеру руслах песок средне- и мелкозернистый. Скважины вскрывают палеорусла в разных ракурсах – вдоль простирания, тогда в разрезе появляются протяженные горизонтальные слои, или поперек сечений русел, что выражается линзами. Иногда наблюдаются “столбчатые” формы неоднородностей песка, предположительно заполняющие вертикальные трещины. По таким неоднородностям вода может фильтроваться вниз, вынося мелкий материал к подошве песчаной толщи. Среди песков есть прослои тонких осадков – супесей, суглинков, глин пойменных, старичных или озерных фаций. Во всех случаях фильтрационные свойства разных литологических неоднородностей различны.

Глины палеоген-неогеновые на Ростовской, меловые на Курской и Нововоронежской АЭС-2 и др. являются водоупором для подземных вод и вызывают обводнение нижних частей залегающих на них песчаных толщ.

Карбонатные (известняки, доломиты, мергели, мел) или сульфатные (гипсы, ангидриты) породы. Их поверхность обычно трещиноватая, разрушенная, с корой выветривания или закарстованная во время продолжительных континентальных перерывов, существовавших до перекрытия их более молодыми отложениями. Так, в разрезе отложений Нововоронежской АЭС-2 верхнедевонские известняки перекрыты нижнемеловыми глинами, а на Нижегородской АЭС на нижнепермских гипсах залегают четвертичные отложения. Местами глинистая покрышка отсутствует, и с карбонатами или сульфатами соприкасаются пески (Нововоронежская АЭС-2). При этом трещиноватость и закарстованность пород ведет к суффозии в перекрывающих их песках, образованию на поверхности просадок, вплоть до воронок [16].

Структурно-геоморфологические условия

Бóльшая часть площадок АЭС в структурном отношении расположена в новейших прогибах, реже на поднятиях, развивающихся в настоящее время. Следствием активных деформаций является активизация различных экзогенных и эндогенных процессов, в том числе интенсивных, часто скрытого характера. Большое значение для их выявления имеет анализ поверхностного и погребенного рельефа на основе полевых наблюдений, бурения и геофизики.

Поверхностный рельеф. Потенциально опасными для развития суффозии на территориях АЭС являются: 1) ложбины, овраги, замкнутые понижения, в том числе на поймах рек, на которых расположены некоторые сооружения станций; 2) основания склонов террас и их тыловые швы, где при выполаживании продольных профилей русел оврагов и ложбин, расчленяющих склоны, или выклинивания грунтовых вод создаются условия для инфильтрации воды вглубь песчаных отложений.

Погребенный рельеф. Негативными для площадок АЭС являются неровности в кровлях пород разного возраста, выявляемые бурением и геофизикой в виде ложбин, русел и долин (коротко палеоврезы). Их образование связывается с континентальными перерывами в развитии территорий в дочетвертичное и четвертичное время. Палеоврезы заполняются осадками водных потоков, имеющими иной механический состав в сравнении с вмещающими породами. Примерами являются различной ширины и глубины ложбины на эрозионных поверхностях карбонатных пород среднего девона и палеорусла плиоценового Дона в поверхностях нижнего мела. Палеорусла были вскрыты на глубине 45–50 м от земной поверхности под четвертичными отложениями на площадке Нововоронежской АЭС-2 (рис. 2) и на поверхностях верхнеолигоцен-нижнемиоценовых глин на площадке Ростовской АЭС.

Рис. 2.

Палеорусла Дона в рельефе кровли плиоценовой кривоборской свиты (aN₂), выделенные по данным бурения, местами совпадающие с линеаментами. 1 – изогипсы кровли поверхности кривоборской свиты; 2 – линеаменты, выделенные на земной поверхности; 3 – погребенные русла и направления их снижения (показаны стрелкой); 4 – номера скважин; 5 – контуры площадки Нововоронежской АЭС-2.

Другой пример погребенного эрозионного рельефа – ложбины стока, расчленяющие частично погребенный склон II позднечетвертичной террасы Дона, на которой расположена площадка Ростовской АЭС. Здесь пойма, I терраса и часть склона II террасы затоплены водами Цимлянского водохранилища. В него по погребенным ложбинам выносится песчаный материал, что активизирует суффозию в верхней части плиоценовой песчаной толщи, служащей грунтовым основанием площадки АЭС. Это, возможно, является одной из основных причин осадок и кренов некоторых сооружений, находящихся над погребенными ложбинами стока (рис. 3) [6].

Рис. 3.

Карта-схема (A) рельефа площадки Ростовской АЭС, составленная по данным бурения: 1, 2 – поверхности террас Дона: 1 – среднего неоплейстоцена (III и IV террасы нерасчлененные (Q₂), 2 – позднего неоплейстоцена (а – II террасы a²Q₃, б – затопленной I террасы a¹Q₃); 3 – граница I террасы; 4 – бровка частично погребенного склона II террасы; 5 – граница между II и III террасами; 6 – погребенные ложбины в уступе II террасы с направлением суффозионного выноса; 7 – изогипсы поверхности ергенинской свиты (Ner); 8 – энергоблоки РАЭС. Б – геологический разрез по линии I-Iꞌ: 1 – пески; 2 – разнозернистые пески; 3 – направление суффозионных процессов.

Кроме эрозионного рельефа погребенными являются карстовые формы – пустоты, каверны в карбонатных верхнедевонских породах на территории Нововоронежской АЭС-2, или воронки в пермских сульфатных породах на территории проектировавшейся Нижегородской АЭС в низовьях р. Ока и др. В последнем случае ее строительство из-за погребенного и поверхностного карста приостановлено.

Гидрогеологические условия

Пески вмещают грунтовые и более глубокие горизонты подземных вод. На контакте с глинистым водоупором пески водонасыщены, что при наклоне поверхности водоупора (тектоническим или эрозионным) является причиной их сползания. Возможно, это явление происходит в западной части площадки Ростовской АЭС, где смещение поверхностных геодезических реперов к юго-западу совпадает с наклоном в том же направлении водоупора – верхнеолигоцен-нижнемиоценовых глин, перекрытых верхнеплиоценовыми песками.

Часто бывает обводнена не только нижняя часть толщ песков, залегающих на водоупоре, но увлажнены и верхние их части. Это связано с подтоплением песков при подпруживании грунтовых вод ростом молодых поднятий (Курская АЭС-2) [4, 6], сезонным повышением уровня воды в руслах рек (Дон на Нововоронежской АЭС-2), в водохранилищах (Цимлянское на Ростовской АЭС, Саратовское на Балаковской АЭС) и водоохладительных бассейнах для реакторов.

Целостность водоупорного горизонта, разделяющего грунтовые и более глубокие межпластовые воды, бывает тектонически нарушенной вследствие наличия зон повышенной трещиноватости, например, открытого типа. Интенсивный забор вод для питьевых и хозяйственных нужд приводит к возникновению гидрогеологических окон в связи с обменом этих вод и образованию фильтрационных воронок. При техногенных утечках воды и прочих факторах образуются участки с избыточным обводнением в виде куполов растекания. Все эти нарушения приводят к суффозии в песчаной толще (Нововоронежская АЭС-2).

Структурно-геодинамические условия

Геодинамика предполагает выявление источников тектонических напряжений, воздействующих на геологическую среду и вызывающих формирование региональных и локальных тектонических структур (поднятий, опусканий, складчатых и разрывных). Разноранговые структуры, на которых или в пределах которых размещаются различные, в том числе экологически опасные промышленные объекты, развиваются с разными скоростями. Основанием этих объектов являются древние структуры кристаллического фундамента и чехла, включая разрывные, образованные в доновейшие эпохи активизации тектонических движений, и новейшие структуры, особенно четвертичные. Древние и новейшие структуры часто являются несогласными, образуя структурные планы перекрестного характера, поскольку они формировались в разное время и под действием различных источников напряжений. Такое несогласование структур наблюдается на территориях Курской, Ростовской и др. АЭС [4, 6, 7].

Так, новейшее субширотное Сальско-Донское поднятие, в пределах которого находится Ростовская АЭС, и сопряженные с ним Цимлянский и Сальский прогибы, на всем протяжении не согласуются по простиранию с северо-западным простиранием структур кристаллического фундамента, находящегося на глубине не более 10 км. Эти поднятия и прогибы также не согласуются по простиранию с палеозойскими структурами вала Карпинского (погребенного продолжения открытых складчатых структур Донбасса), меловыми и палеогеновыми структурами осадочного чехла [13]. Рассматриваемые поднятия и прогибы часто развиваются не конформно над древними синклиналями, антиклиналями и моноклиналями. Лишь иногда наблюдается частичное совпадение структур по знаку движения: молодые поднятия развиты над поднятыми блоками фундамента, образуя штамповые структуры [15] (Курская АЭС), или над сводом или крылом меловой антиклинали (Ростовская АЭС). В целом рассогласованность структур глубинных горизонтов определяет разную их реакцию на неотектонические поля напряжений. Это может вызывать добавочные напряжения сдвигового типа, образование трещиноватости в породах и разрывов, снижение физико-механических свойств грунтов, являющихся основанием площадок.

Современные локальные развивающиеся поднятия и опускания, еще не выраженные в деформациях земной поверхности, часто являются причиной развития негативных процессов: подпруживания стока поверхностных и подземных вод, заболачивания и подтопления территорий, повышенной аккумуляции аллювия в долинах рек, активного развития эрозионных форм и т.д. Все эти явления наблюдаются на территории, прилежащей к площадке Курской АЭС-2.

Современная геодинамика определяет напряженное состояние пород на территориях расположения АЭС: условия сжатия, растяжения, сдвига и др., в которых формируются и развиваются новейшие, в том числе четвертичные структуры. Локальные источники или причины этих напряжений редко кем рассматриваются, тем не менее, они могут негативно сказаться на устойчивости сооружений. Сдвиговые напряжения при горизонтальном растяжении проявляются образованием кулисно расположенных впадин типа пулл-апарт [1, 10] с расширенными поймами и повышенной мощностью аллювия (территории Нововоронежской, Курской и др. АЭС) (рис. 4). В условиях напряжений растяжения трещиноватость, фиксируемая на поверхности, в том числе выходами родников, аномалиями радона (Курская, Белорусская АЭС), а в погребенных породах геофизическими данными [14] и бурением, становится более открытой и проницаемой для водно-газовых флюидов [11, 12]. Подобного типа трещиноватость проявляется на границах крупных поднятий и впадин. Так, на восточном склоне Воронежского новейшего поднятия в районе Нововоронежской АЭС-2 и южном его склоне в районе Курской АЭС-2 меловые породы интенсивно разбиты системами трещин. Структурно-кинематический (парагенетический) анализ трещин и линеаментов подтвердил активность напряжений растяжения со сдвиговой компонентой. В этих условиях, помимо трещиноватости пород, широко развиты оползни, обвалы, карст, суффозия, восходящие родники, наблюдаемые в районах размещения и непосредственно на площадках АЭС. Кроме того, намечаются крупные массивы дробления и оползания пород гравитационно-тектонического происхождения, которые сопровождаются образованием протяженных трещин будущего отседания (см. рис. 4).

Рис. 4.

Строение долины р. Дон в районе Нововоронежской АЭС: 1 – аллювий р. Дон; 2 – расширенные участки долины, интерпретируемые как пулл-апарты; 3 – отложения, слагающие Кривоборский прогиб (Кр); 4 – отложения, слагающие восточное крыло Воронежского поднятия (В); 5 – оползневые склоны; 6 – границы предполагаемых тектоно-гравитационных массивов; 7 – сдвиговые деформации.

От границ фронта оползания трещины отседания могут отстоять на десятки километров. Примером является массив на правобережье Дона в районе Нововоронежской АЭС, будущими трещинами отседания которого служат долины рек Девица, Россошка и др.

Иногда современные геодинамические условия сложны, и их трудно определять. Например, территория размещения Ростовской АЭС, которая находится на Сальско-Донском поднятии. В его формировании участвуют три источника тектонических напряжений: с юга действует давление, наведенное со стороны развивающегося поднятия Кавказа, с севера – давление от вала Карпинского, а с востока – со стороны активного Каспийского прогиба. В результате здесь развиты структуры, в морфологии которых отражены все три источника напряжений, но превалирует давление со стороны Кавказа. Следствием является субширотное простирание основных структур, северо-западная ориентировка локальных структур, а влияние Прикаспия отражено в появлении секущих субмеридиональных структур, прослеживаемых на десятки километров от прогиба.

$\xleftarrow[{\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}]{}$

Геодинамически-активные зоны (ГдАЗ). Особое значение имеет приуроченность речных долин с расположенными в них АЭС к зонам новейших прогибов (опусканий), являющихся геодинамически активными зонами [2, 5]. Последние разграничивают области, развивающиеся под действием разнотипных напряжений. Некоторые примеры: Нижнеокский прогиб (восточнее Москвы) разделяет новейшие поднятия Токмовского свода (на его северном склоне находится территория Нижегородской АЭС) и Окско-Цнинский вал. Субширотное сжатие с запада со стороны расширяющегося Окско-Цнинского вала вместе с давлением с юга со стороны растущего Токмовского свода обусловливает образование зоны левосдвиговых напряжений, наследуемой Нижнеокским прогибом и р. Ока. Влиянием свода объясняется подворот к югу западных окончаний широтных структур свода. При этом “накатывание” прогиба на структуры сопровождается подмывом Окой высокого правобережья и образованием оползней. Рост поднятий ведет к понижению уровня подземных вод и связанному с этим широкому проявлению карста на территории АЭС.

Кривоборский плиоценовый прогиб (верховье Дона), в западной части которого находится территория Нововоронежской АЭС, разделяет две крупные новейшие, различно развивающиеся структуры – Воронежское поднятие и Окско-Донской прогиб. Последний рассматривается как широкая субмеридиональная протяженная геодинамически активная зона, в которой формируются современные зоны поднятий и прогибов меньшего ранга. Смещение прогиба к западу на склон Воронежского поднятия, происходящее в течение всего новейшего этапа, вызвано ростом на востоке Приволжского поднятия и пододвиганием земной коры прогиба под Воронежское поднятие. В Кривоборском прогибе проявлены условия растяжения с правосдвиговой компонентой, вызывающей образование впадин типа пулл-апарт. Развитие трещин растяжения сопровождается негативной активностью карста, оползней и суффозии. Все эти явления характерны для ближнего района (радиус 30 км) Нововоронежской АЭС.

Амплитуды и скорости развития структур. Амплитуды новейших поднятий на Восточно-Европейской платформе редко превышают 220 м. Поэтому общей закономерностью являются близкие значения скоростей поднятий за весь новейший этап (30–35 млн лет), всего около 0.01 мм/год. Рассчитанные нами скорости за отдельные четвертичные стадии (ранний, средний, поздний нео-плейстоцен), продолжительность которых первые сотни-десятки тысяч лет) колеблются от 0.2 до 0.8 мм/год, а в голоцене увеличиваются до 2–4 мм/год. Постоянные детальные геодезические измерения на площадках всех АЭС выявляют современные дифференцированные тектонические движения. Так, вертикальные движения отдельных участков обычно не превышают 1–2 мм/год, составляя ±0.5 мм/год на Нововоронежской, от ±0.14–0.58 до ±2.5–4.6 мм/год на Ростовской АЭС-2 и др. В то же время под отдельными зданиями и сооружениями или дамбами скорости опускания увеличены до 15–25 мм/год, а иногда и более, что объясняется осадками грунтового основания под объектами. Горизонтальные движения также дифференцированы и вызваны в основном напряжениями растяжения или сжатия вследствие давления со стороны основных региональных источников напряжения или другими причинами. Так, в восточной части площадки Ростовской АЭС отмечается смещение реперов к СВ со скоростью 26 мм/год, а в западной ее части – к ЮЗ со скоростью 16–20 мм/год. В последнем случае это может быть связано с наклоном водоупора – подстилающих олигоцен-миоценовых глин, и деформациями залегающих на них плиоценовых песков, о чем было сказано выше.

Линеаменты, трещиноватость пород и разломы. Линеаменты на территориях АЭС выделяются, как и везде, по данным дешифрирования топографических карт, цифровых моделей рельефа, космо- и аэрофотоснимков. В основном все они выражены различными по протяженности прямолинейными отрезками русел рек и ручьев, ложбин, оврагов, а также различными уступами. На снимках они могут выделяться по градиенту изменения фототона. По установившемуся мнению, линеаменты проявляют трещиноватость пород или более крупные дислокации – погребенные разломы кристаллического фундамента, древние или омоложенные, но редко нарушающие осадочный чехол. Из огромного их числа, образующих “паутину”, простирание некоторых согласно с простиранием трещин в разновозрастных породах. При этом наблюдаются близкие направления с трещинами в четвертичных отложениях и лишь частично в древних отложениях – палеогеновых, меловых, пермских и др. Небольшая часть линеаментов совпадает с палеоруслами, выделенными бурением на погребенных поверхностях (Белорусская, Курская АЭС-2, Нововоронежская АЭС) [8, 9].

На территории Белорусской АЭС в радиусах 30 и 5 км от площадки непосредственной прямой связи линеаментов с многочисленными разломами фундамента, выделенными в основном по геофизическим данным, не установлено. Многие линеаменты протягиваются далеко от разломов фундамента, а некоторые – только на отдельных участках развиты над ними. В целом из 14 разломов фундамента лишь 4, в основном, северо-западного простирания, отражены в линеаментах.

На южном склоне Воронежского новейшего поднятия, на территории, прилежащей к Курской АЭС, преобладают линеаменты меридионального простирания, тогда как предполагаемые разломы имеют северо-восточное и широтное простирание, а известный древний Железногорский протяженный разлом фундамента, находящегося на глубине менее 200 м, – северо-западное (рис. 5).

Рис. 5.

Соотношение линеаментов и разломов фундамента на южном склоне Воронежского поднятия (В): 1 – линеаменты; 2 – предполагаемые разломы фундамента; 3 – зона Железногорского разлома (Жл); 4 – границы Сеймского прогиба; 5 – площадка Курской АЭС-2.

На территории Нововоронежской АЭС по геофизическим данным выделены меридиональный и диагональный разломы [14], с которыми можно было бы, предположительно, связать негативные процессы, происходящие на площадке (оседание поверхности, крен некоторых сооружений), не выражены ни в современном, ни в погребенном рельефе, также как и в деформациях отложений. Поэтому их существование нельзя считать доказанным.