Изменение уровня подземных вод в результате проведения подземных ядерных взрывов
, д-р физ.-мат. наук, , д-р физ.-мат. наук
Одним из основных механических эффектов мощного подземного взрыва является изменение гидрорежима подземных вод. Наблюдения за уровнем подземных вод в системе глубоких скважин свидетельствуют о нерегулярном характере его изменения в значительной по размеру области. Это обусловлено пространственной неоднородностью взрывного деформирования среды, содержащей высокопористые водомешающие пласты, и образованием в результате взрыва пустот, а также областей с измененными механическими и фильтрационными характеристиками.
Основные механические проявления подземного ядерного взрыва, нарушающие естественно установившуюся гидродинамику подземных вод, связаны, во-первых, с действием волны сжатия на водосодержащие коллекторы, а во-вторых с образованием в среде дополнительных пустот (камуфлетная полость, наведенная трещиноватость, а также пустотность, обусловленная разуплотнением среды) и деформацией водных коллекторов и массива горных пород в целом. Существенно неоднородное деформирование сложной по строению реальной геофизической среды не позволяет в деталях анализировать поведение подземных вод при мощных взрывных воздействиях. Однако основные особенности гидродинамических процессов, вызываемых подземным ядерным взрывом, могут быть выявлены по следующей схеме.
В сплошной слабонепроницаемой среде, содержащей субгоризонтальный водонасыщенный пласт, на некоторой глубине Н производится взрыв заряда мощностью W. Соответствующие взрыву волновые процессы вызывают деформацию окружающей среды, причем водный коллектор деформируется в большей степени. Последнее связано с более высокой пористостью и сжимаемостью водомешающих пород-коллекторов по сравнению с горной породой (водоупором и налегающим массивом). Динамическое сжатие коллектора приводит к повышению давления жидкости в некоторой области [образование куполообразного уровня подземных вод, формально поставленного в соответствие давлению жидкости Р с использованием приближения Дюпюи grad(P)=ρ g · grad(h), где h-абсолютный уровень грунтовых вод; ρ-плотность жидкости]. Это сопровождается инъекцией воды в поровое пространство окружающих пород, а также в ранее существовавшие и вновь образованные в результате взрыва трещины. Формирование и последующее обрушение камуфлетной полости и, как следствие, образование столба обрушения и области повышенного разуплотнения среды вплоть до свободной поверхности вызывают центральную депрессию в образовавшемся куполе грунтовых вод(рис.1)
Рис.1. Давление(уровень) груновых вод в окрестности эпицентра взрыва(1) после обрашения камуфлетной полости (3):2- дневная поверхность; 4-столб обрушения;5,6- граница зоны наведенной трещиноватости и зоны приповерхностного разуплотнения соответственно; 7- направление стока подземных вод. Стрелками показано движение вод.
Наличие области повышенного давления (купола) грунтовых вод под эпицентром взрыва естественным образом приводит к повышению уровня грунтовых вод в наблюдаемых скважинах (рис.2).
Рис.2. Схема изменения уровня грунтовых вод в наблюдательной скважине со временем: 1-этап образования ''купола'';II-этап заполнения образованных взрывом пустот; III-восстановление первоначального уровня.
Следующий этап движения подземных вод связан с их стоком в образовавшиеся при взрыве пустоты. Высокая проницаемость горной породы приводит к быстрому снятию избыточного напора грунтовых вод, а затем к его падению существенно ниже естественного уровня в районе эпицентра взрыва. Последнее вызывает резкое снижение водопритока к областям, расположенным в направлении естественной миграции подземных вод, и одновременно – образование депрессионной воронки. Следствием этого является резкое снижение уровня грунтовых вод в области влияния депрессионного столба. Заключительный этап – восстановление первоначального уровня подземных вод во всей области течения после заполнения образованных при взрыве пустот. Общий объем пустот складывается из объема камуфлетной полости V0, объема пустот в зоне наведенной трещиноватости V1 и объема пустот в столбе обрушения V2. Пустотность горной породы в столбе обрушения образуется за счет перемещения части горной массы в полость. Это означает, что в целом, полагая камуфлетную полость в виде сферы радиуса R0, допустимо пренебречь пустотностью, сформированной в приповерхностной области в результате разуплотнения среды и откольных явлений, полагая сферической зону наведенного тренообразования. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что для большинства горных пород имеет место соотношение R0=10· W 1/3 ,м, где W-мощность взрыва, кт тротила, и следовательно:V0=4.2· 10-3 ·W, м3. Оценка величины V1 может быть проведена по формуле V1=4ηΟRb 2.5(Rb 1/2-Ro 1/2)≈8,6· 106 ηΟ W, где ηΟ - пустотность среды в естественном состоянии; Rb - радиус области изменения структурного состояния среды при крупномасштабном подземном взрыве; Rb ≈ 100· W 1/3,м. Таким образом, общий объем пустот, образовавшихся в среде при взрыве, составляет V≈ 4.2 ·103· W(1…2,04 ·103· ηΟ).
Исследование реакций подземных вод на подземный ядерный взрыв проводили в течение продолжительного времени (1983-1989 гг.) с помощью наблюдательных скважин, пройденных в массивах Семипалатинского полигона. Уровень подземных вод регистрировали в наблюдательных скважинах, расположенных в области влияния взрыва мощностью 6-150 кт:на расстоянии 0,3-10 км от эпицентра, на глубине 300-600 м (табл.1).
Сводные данные подземных взрывов Таблица 1
Опыт | Мощность, кт | Глубина |
I | 50-100 | 460 |
II | 12-25 | 300 |
III | 100-150 | 600 |
IV | 100-150 | 520 |
V | 50-100 | 450 |
VI | 50-100 | 500 |
VII | 100-150 | 600 |
VIII | 50-100 | 500 |
IX | 100-150 | 600 |
X | 100-150 | 620 |
XI | 120-25 | 600 |
XII | 6-12 | 450 |
Подземные воды в изучаемом регионе распространены повсеместно в зонах экзогенной и тектонической трещиноватости скальных пород палеозойского фундамента и носят напорно-безнапорный характер. Водосодержащие горизонты вскрыты на глубинах 2,1-70 м и характеризуются напором 4-66 м. Области питания подземных вод сосредоточены в основном на юго-западе территории полигона на участках выклинивания местного водоупора. Фильтрационное течение подземных вод, характеризующееся уклоном 0,05-1,3 м2/ сут, в то время как вблизи тектонических нарушений эта величина может достигать 14-34 м2/сут. Коэффициент проницаемости водовмещающих пород в пределах структурно- тектонических блоков составляет 3 ·10-15 –6 ·10-14 м2
Режим подземных вод преимущественно равнинный. Значение суточных колебаний уровня не превышает 3-5 см. Для региона в целом характерен общий подъем уровня подземных вод на 1-2м в период весенне-осеннего паводка.
Подземный ядерный взрыв приводит к существенному нарушению гидродинамического режима подземных вод. Хотя изменение уровня подземных вод носит сложный пространственно-временной характер, определяемый конкретными характеристиками массива горных пород, удаленностью наблюдательной скважины от эпицентра взрыва, наличием близкорасположенных тектонических нарушений и. т.п., можно выделить общие закономерности. Так, непосредственно после взрыва регистрируется общий кратковременный подъем уровня подземных вод в наблюдательных скважинах (в отдельных случаях их формирование). Затем в течение короткого отрезка времени (0,1-3сут.) наблюдается снижение уровня подземных вод до первоначального и ниже. Наиболее отчетливо это проявляется в ближней зоне взрыва (на расстояниях до 1 км), где снижение уровня относительно первоначального может достигать 40 км. Далее в течение продолжительного времени (от 10сут до 6 мес) наблюдается устойчивая тенденция к восстановлению первоначального уровня. Это хорошо видно на рис. 3, на котором представлено изменение уровня подз0емных вод в некоторых наблюдательных скважинах в одном из экспериментов. В целом нарушение гидрорежима подземных вод отмечается до расстояний ~10 км при взрывах мощностью 150 кт. Размеры областей дренажа подземных вод оцениваются первыми километрами (рис.4).
Конкретные особенности зависимости h(r, t), где r - эпицентральное расстояние, определяются мощностью взрыва, а также структурно-тектоническим строением массива горных пород, что нашло свое подтверждение при проведении опытов VII и VIII ( см. табл. 1). Так, в опыте VIII в первые часы после проведения взрыва отмечено снижение уровня подземных вод на 0,3-0,6 м в наблюдательных скважинах, расположенных на расстоянии 2,2 и 3,6 км от эпицентра взрыва. В скважинах, расположенных на расстоянии 3,8 и 4,8 км, изменения уровня не отмечено. В течение 30 сут после проведения взрыва VIII уровень подземных вод стабилизировался (отклонение от первоначальной величины не превышало 0,1 м). В опыте VIII в наблюдательных скважинах, расположенных в пределах одного структурно-тектонического блока с боевой скважиной, наблюдалось фонтанирование жидкости в течение 7 ч. В других близко расположенных от эпицентра взрыва скважинах непосредственно после взрыва зарегистрирован подъем уровня жидкости на 3,6-4,2 м. В последующие сутки общее снижение уровня достигло h=-60м. Следует отметить, что поведение жидкости в конкретной наблюдательной скважине обусловлено ее принадлежностью к отдельному структурно-тектоническому блоку. Так, влияние взрывного воздействия на уровень подземных вод в наблюдательных скважинах, расположенных в пределах структурно-тектонического блока, одинаково. Одинаковым образом ведет себя при взрыве и уровень жидкости в скважинах в зоне влияния тектонического разлома.
Анализ изменения уровня подземных вод в наблюдательных скважинах при взрыве IX свидетельствует о том, что помимо удаленности скважин от эпицентра взрыва на величину изменения h влияет начальное гипсометрическое положение ее уровня. В скважинах характеризующихся более низким гипсометрическим положением начального уровня, произошло наибольшее снижение уровней.
Амплитуда изменения уровня помимо удаленности от эпицентра взрыва определяется структурно-тектоническими особенностями массива, а также приуроченностью наблюдательных скважин к различным водоносным комплексам (табл.2).
Характеристика гидрогеологической обстановки Таблица 2
Номер наблюдательной скважины | Эпицентральное расстояние, км | Амплитуда изменения уровня вод, м в течение суток спустя 6 мес | |
Водоносный комплекс раннекаменноугольного возраста | |||
8 | 0,5 | -11,,7 | -1,2 |
2 | 1,0 | -3,2 | 0,4 |
1 | 1,5 | -2,3 | 0,4 |
9 | 1,0 | -1,8 | 0,4 |
10 | 1,3 | -0,2 | - |
11 | 2,3 | -0,1 | 0,6 |
12 | 2,6 | -0,4 | 0,8 |
13 | 2,9 | -0,2 | 0,7 |
Водоносный комплекс среднекембрийского возраста | |||
5 | 1,1 | -3,4 | -1,5 |
4 | 1,5 | -0,9 | -0,7 |
3 | 1,6 | 0,1 | - |
Водоносный комплекс позднепалеозойского возраста | |||
6 | 0,5 | -15,9 | -5,2 |
7 | 0,7 | -19,7 | -4,1 |
Продолжительные наблюдения за уровнем подземных вод в наблюдательных скважинах, удаленных от места проведения взрыва на расстояния 3-5 км, свидетельствуют о нарушении естественного гидрорежима в значительной по объему области. При этом отмечается общая тенденция снижения уровня на 3-5 м после проведения взрыва, слабее выраженная в скважинах, расположенных вблизи области питания.
Рисунок 3 Схема изолиний уровня подземных вод при подземном ядерном взрыве:
+ - эпицентр взрыва; а – до взрыва; б – сразу после взрыва; в – спустя 4сут. после взрыва; г – спустя 1 мес. после взрыва. Цифры обозначают уровень подземных вод, м.
Изменение гидрологической обстановки в районе проведения подземного ядерного взрыва обусловлено изменением механического состояния горных пород в результате их динамического возмущения: было установлено повышение водопроницаемости водовмещающих пород. При этом отмечается наибольшее изменение водопроводимости в районе менее водообильных скважин.
Подробное гидрогеологическое обследование наблюдательных скважин после проведения взрывов позволило установить еще один эффект:наряду с изменением водопроводящих свойств водовмещающих пород в некоторых скважинах отчетливо регистрировалось сдвижение интервалов преимущественного водопритока. Такое смещение можно объяснить установлением гидравлической связи между близкорасположенными трещинами в зоне развития тектонической трещиноватости либо образованием магистральной трещины после взрыва. В результате анализа и сопоставления данных, полученных при проведении инструментальных наблюдений и оценок на основе изложенной схемы, можно сделать следующие выводы:
1. Подземный взрыв ядерного устройства приводит к нарушению естественного гидрологического режима в области с относительным радиусом r/W 1/3 до 1000 м/кт 1/3, что более чем на порядок превосходит радиус зоны наведенной при взрыве трещиноватости.
2. Изменение гидрологического режима при взрыве связано с повышением эффективного давления жидкости в водовмещающих породах; изменением механических и, как следствие, фильтрационных свойств пород коллекторов; образованием новых каналов фильтрации; образованием в результате взрыва подземных пустот и дальнейшим их заполнением подземными водами.
3. Характер изменения уровня подземных вод в целом соответсвует предложенной схеме. В наблюдательных скважинах регистрировалось кратковременное повышение уровня, вызванное действием волны сжатия (в отдельных случаях - фонтанирование скважины). Затем в течение 0,1-3 сут (в зависимости от конкретных условий) наблюдалось резкое снижение уровня до отметок ниже первоначальных, что было обусловлено установлением высокопроницаемой гидравлической связи между водовмещающими породами и образованными при взрыве подземными пустотами. Далее – тенденция к восстановлению уровня подземных вод. При этом скорость восстановления определялась водопроводимостью коллектора и объемом образовавшихся пустот.
4. Амплитудно-временные характеристики наведенных взрывом гидрогеологических процессов определяются удаленностью изучаемого участка от места проведения взрыва, конкретными свойствами массива горных пород и исходной гидрогеологией (тектоническим строением участка, типом водоносного комплекса, исходной водообильности).
Рисунок 4 Изменение уровня подземных вод при взрыве. Расстояние от наблюдательной скважины до эпицентра взрыва, км.
Таким образом, основной гидрогеологический эффект от проведения подземного ядерного взрыва связан с падением уровня подземных вод в области, размер которой, хотя и незначителен с точки зрения региональной гидрогеологии, весьма существенен с точки зрения возможных изменений несущей способности грунтов и горных пород непосредственно в районе взрыва. При этом следует отметить, что в отдельных случаях основной гидрогеологический эффект взрыва может определяться повышением уровня подземных вод. Так, известны данные, свидетельствующие о значительном подъеме уровня подземных вод при взрыве в насыщенном вулканическом туфе, покрывающем водоупор (эксперимент Aardvark, Невада, США, W=35 кт, Н=438 м ). На 40-е сутки после взрыва Aardvark в наблюдательной скважине, пройденной в 307 м от эпицентра взрыва, было зафиксировано поднятие уровня подземных вод на 17 м по отношению к среднестатистическому. Первоначальный уровень подземных вод был восстановлен в течение 400 сут.
