Проблема захоронения промышленных стоков
В последние 10 лет, начиная с конца 1980-х годов, исследую проблему захоронения промышленных стоков, включая радиоактивные отходы, в геологические формации. На основании анализа литературных данных, полученных при реализации многонационального проекта STRIPA и других проектов, выполняющихся на национальной основе в США, Японии и Швеции и других странах, в том числе и на полигонах России, где захоронены жидкие радиоактивные отходы в гидрогеологических структурах на Русской платформе, были сделаны выводы о важности изучения адсорбционных процессов водовмещающих комплексов и водоупорных горизонтов этих структур и длительной изоляции радионуклидов.
В геологической истории Земли концентрация металлических элементов - процесс естественный и известный под названиям: рудообразование. В большинстве случаев рудные месторождения образовывались в вулканических структурах разного возраста. Не являются исключением и радиоактивные элементы. Урановые месторождения, имеющие запасы в миллионы тонн, существуют поныне с архея и протерозоя, и места их локализации не представляют опасности с точки зрения неконтролируемого распространения опасных для окружающей биосферы воздействий, как на жизнедеятельность организмов соприкасающихся с продуктами, образованными вулканами, так и на их генетических код. В связи с этим можно сделать вывод, что существуют процессы, происходящие в вулканах, которые обеспечивают экологически безопасное накопление радиоактивных элементов. Эти процессы мало изучены до настоящего времени. Казалась бы на этот вопрос в первую очередь должны были ответить специалисты, изучающие рудные месторождения. Однако проблема переноса, накопления и отложения металлов остается нерешенной. Для решения задачи безопасной долговременной ликвидации радиоактивных отходов и других вредных веществ в первую очередь необходимо провести фундаментальные исследования с целью получения данных о переносе, накоплении и отложении радиоактивных природных и искусственных элементов в широких термодинамических параметрах происходящих в Земле и их взаимодействие с обширным спектром пород в геологических структурах, связанных с вулканической деятельностью.
Для этих целей наиболее пригодными являются районы современного вулканизма, где эти условия имеются на участках, измеряемые порой несколькими квадратными километрами. Так, например, на вулканических островах можно изучать весь набор химических составов магматогенных пород и их осадочных разновидностей; температуры процессов колеблются от 1000 и более градусов Цельсия до температуры окружающей водной и воздушной сред. Химический состав поверхностных и подземных вод изменяется от ультрапресных до рассолов, а рН растворов от щелочных до ультракислых. Состав вулканических газов, участвующих в переносе элементов и в теплопереносе с уровней верхней мантии до стратосферы, колеблется и изменяется, воздействуя на динамику расплавов, вод, атмосферы.
Изучение влияния радиоактивных отходов на породы, слагающие геологические формации, в которые они погружены, показало, что главным препятствием на пути их миграции служат геохимические барьеры, на которых обеспечивается иммобилизация радиоактивных и других химически вредных элементов. Основную характеристику этих барьеров составляют адсорбционно-десорбционные свойства минералов, слагающих вмещающие породы геологических формаций. Наилучшими поглотителями металлов являются минералы вулканогенного происхождения или продукты их переработки гидротермами или водами поверхностного или подземного формирования.
Так, например, Гиггенбах В.и другие и Хоугтон Б. и Найрн И.(см. Приложение), изучая гидротермально-магматическую систему Острова Уайт в Новой Зеландии, установили, что хотя вулкано-магматическая система Остров Уайт окружена морем, исследования не свидетельствуют о присутствии каких-либо количеств морской воды в гидротермальной системе. Это является следствием образования химически изолированной зоны на внешней стороне гидротермальной системы, в результате отложения минералов. Изоляция предотвращает приток морской воды и ограничивает смешение магматических и метеорных вод, что создаёт вокруг вулканического канала медленно изменяющиеся вмещающие породы, вследствие их высокой реакционной природы.
В последние годы в Институте вулканологии ДВО РАН разрабатывается тема по использованию высокотемпературных гидротермальных систем, расположенных на вулканических островах, окруженных морскими акваториями. В недрах таких гидротермальных систем непрерывно воспроизводятся адсорбенты с отрицательным зарядом, которые способны адсорбировать все металлы почти в неограниченном количестве на протяжении многомиллионной истории деятельности этих систем. Наиболее оптимальным сорбентом является золь кремнекислоты, который в обиходе обычно называется силикагелем.
Силикагель обладает примечательным свойством отличающим его от других минералов с адсорбционными свойствами. Все другие гели после присоединения положительно заряженных частиц коагулируют и тут же выпадают в осадок. Силикагель после сорбции продолжает двигаться вместе с гидротермами в сторону их разгрузки и выпадает по мере падания температуры раствора. Непреодолимым для него барьером является морская вода, в составе которой находятся растворенные магний и кальций, осаждающие золи кремнекислоты в зоне смешения гидротерм и морской воды почти полностью. Таким образом, попадание радиоактивных элементов и других металлов из высокотемпературных гидротермальных систем в морские акватории или исключено полностью, или их содержание в морской воде будет не выше кларковых.
Эксперименты проведенные на вулканогенных породах, слагающих водоносные породы Паужетской и Северопарамуширской гидротермальных системах, показали, что уран в них сорбируется полностью, а концентрации радиоактивных изотопов стронция и цезия уменьшается на 2/3.
Исследования последних лет в химии коллоидов свидетельствуют, что изучение адсорбционные свойства гелей кремнекислоты находится на стадии предстоящих открытий. Так, например, лишь в начале 70х годов были получены новые данные о катионзамещенных силикагелях, адсорбционные свойства которых сильно отличаются от водородного хорошо изученного геля кремнекислоты. Кальциевый силикагель может поглощать в 50 и более раз больше. Гетерогели обладают адсорбционными свойствами на 3-4 порядка большими по сравнению с водородной формой и т.д. Все эти формы адсорбентов входят в структуры современных высокотемпературных гидротермальных систем районов молодого и современного вулканизма.
Важным фактором в ликвидации радиоактивных отходов является скорость адсорбционных процессов и надёжность их удержания в структуре адсорбентов. Скорость присоединения радиоактивных элементов гелем кремнекислоты измеряется секундами, а стойкость таких минералов, как халцедон, который образуется в результате взаимодействия гидротермальных коллоидных растворов с морской водой и в структуре которых находятся радиоактивный уран, не вызывает сомнений. Так, например, халцедоновые жилы на плато Колорадо в США, которые исследовались в качестве потенциальных месторождений урана для атомной промышленности, не могли быть использованы с этой целью из-за технологических трудностей извлечения из них урана. Кроме того, концентрации адсорбируемых элементов были незначительны и не представляли какой-нибудь угрозы от радиоактивных излучений или загрязнений окружающей среды. В связи с этим можно отметить, что ограниченная сорбирующая способность силикагелей в гидротермальных системах способствует снижению концентраций любых элементов, в том числе и радиоактивных. На базе этих свойств гелей кремнекислоты появляется возможность управлять технологией ликвидации радиоактивных отходов, в результате чего будет происходить рассеяние радиоактивных элементов в вулканических формациях до уровней безопасных для окружающей среды. При этом следует учитывать, что энергозатраты на эту технологию будут неизмеримо меньшими, чем при производстве радиоактивных концентратов и их можно покрывать за счет геотермальной энергетики.
Особого исследования заслуживают такие продукты вулканической деятельности, как базальтовые расплавы и базальтовые породы. Их свойства замечательны тем, что в их составе находятся все элементы, которые способствуют образованию гелей кремнекислоты и их быстрому превращению в халцедон при наличии источников тепла. При наличии последних геохимические процессы в базальтовых формациях приводят к самоизоляции этих источников тепла.
Учитывая, что для реализации идеи, изложенной выше, необходимо разработать теорию образования искусственного рудообразования радиоактивных металлов, предлагается создание опытного полигона на базе высокотемпературной гидротермальной системе, сопряженной с активным вулканом, окруженном морской акваторией для проведения длительных режимных наблюдений и экспериментальны исследований.