Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Со времен геохимических и радиогенных исследований акад. В.И. Вернадского геологи занимаются вопросами дегазации планеты Земля [1]. На территории Татарстана газовыми съемками интересовались нефтяники, как одним из перспективных методов поиска нефти по метановому «дыханию» ее залежей. Предполагалось, что существующие метановые «шапочки» над залежами содержат некоторое количество вездесущего и всепроникающего газа водорода, а также радиогенных гелия и радона, инертного азота и других газов. Радон как эманация, или продукт распада радия, действительно обнаруживался во многих случаях, и теперь, в связи с активизацией строительства подземных сооружений – например, метро, подземных переходов, торговых точек и выбора мест для безопасных зон рекреации и отдыха – объемом выхода радона заинтересовались экологи.

Нормы и правила обеспечения безопасного радиационного уровня при выборе участков территорий под строительство зданий жилого, общественного и промышленного назначения подробно изложены в нормативных документах [2].

Цель исследования – изучение факторов, влияющих на уровень фонового значения радона. Среди них основными являются факторы, связанные с геологическим строением территорий.

Материалы и методы исследования

Создание метода поиска нефти с помощью газовых съемок, однако, не получило широкой поддержки, поскольку оконтуривание залежей не было достаточно четким – газовая аномалия получалась размытой. Сейсмический метод, как оказалось, дает четкие ограничения структурных поднятий и обеспечивает более надежный прогноз размещения поисковых скважин. Стало понятным, что размытость контуров аномалий создает диффузия газов через трещиноватые и пористые среды в горных породах. Для наших исследований такая информация служит указанием на плавность переходов и отсутствие контрастов в пограничных зонах между коренными и четвертичными породами на поверхности рельефа. На четкость контуров аномалий большое влияние оказывает распределение непроницаемых пород (флюидоупоров) и характер залегания водопроницаемых и водонасыщенных пластов по всему разрезу пород осадочного чехла. К флюидоупорам чаще всего относятся глины, аргиллиты, соляные и гипсоносные толщи, а хорошо проницаемы для газов и жидкостей пески, песчаники, кавернозные и рифогенные известняки и разбитые сетью трещин другие плотные породы метаморфического и даже магматического происхождения [3].

В приповерхностной зоне республики Татарстан в окрестностях г. Казани наблюдается широкое развитие карстовых процессов и провальных явлений, связанных с гипсоносными толщами сакмарского яруса перми. Неотектоническая и бэровская миграция глубоких врезов палеорусел Волги, Казанки, Камы и их притоков вскрывает в широких пределах верхние слои палеозоя в окрестностях Казани до глубины 200–300 м, облегчая тем самым вертикальную миграцию радона из более глубоких горизонтов земной коры. Проследить расположение переуглубленных палеорусел по всему разрезу без доступа к данным радиоактивного и теплового каротажа по многим скважинам на сейсмических профилях в настоящее время не представляется возможным по причине закрытости соответствующих материалов. Поэтому при анализе получаемых замеров активности выхода радона для экологических целей приходится ограничиться опубликованными данными, существующими в геологической и гидрогеологической литературе и наличными структурными картами нефтепоисковых организаций [4–6]. Использование этих данных во многих случаях позволяет получить удовлетворительное объяснение распределения значений выходов радона на контрольных точках, которые представлены на фрагменте космического снимка Google Earth Pro (рис. 1).

Рис. 1. Точки замеров на территории г. Казани и Приказанья

Измерения проводились радиометром RTM 1688-2 GeoStation производства немецкой фирмы «SARAD» GmbH (рис. 2). Этот прибор был разработан на основе прибора RTM-1688. Для измерения почвенного газа вместо внутренней измерительной камеры стандартного прибора используется отдельно подключаемый зонд. Корпус зонда выполнен из высококачественной стали; диаметр его составляет 80 мм. Наряду с измерительной камерой радона в устройство интегрированы сенсоры температуры и влажности. Малое время отклика, при резком изменении концентрации газа, достигается наличием большой силиконово-диффузионной мембраны. Зонд подключается через кабель длиной до 10 м к аналоговому датчику радона. Этот датчик рассчитывает текущую концентрацию радона и вырабатывает на выходе аналоговый сигнал. При проведении полевых работ значения объемной активности радона на выбранных точках были получены с помощью зонда на глубине 0,5 м [7].

Результаты исследования и их обсуждение

В 2023 г. проведены исследования на 33 контрольных точках. Полученные значения объемной активности радона, температуры, влажности и атмосферного давления, а также возрасты пород, на которых расположены контрольные точки, отражены в таблице.

Данные измерений на контрольных точках

Рис. 2. Значения объемной активности радона в грунтах различного происхождения

Для обработки количественных данных использовались возможности программы Excel, для картографического анализа послужили имеющиеся карты четвертичных отложений, структурные карты поверхности дочетвертичных отложений и геоморфологические карты государственной геологической съемки [8].

Ниже представлена геоморфологическая карта со значениями объемной активности радона в грунтах различного происхождения (рис. 2).

На предлагаемой карте выделяются два поля точек, приуроченных к участкам с различным геологическим строением окрестностей Казани.

1. Поле неглубокого, поверхностного залегания карбонатных и глинистых пород палеозоя с тонким чехлом делювиальных отложений и присущим им почвенно-растительным покровом. На карте они попадают на формы денудационного рельефа.

2. Поле песчано-гравийных аллювиальных отложений кайнозоя вдоль долины Волги с мощным чехлом суглинков и песков и разнообразным по составу почвенно-растительным слоем. На карте они попадают на формы преимущественно аккумулятивного рельефа.

Гистограммы распределения значений довольно четко различают оба выделенных поля (рис. 3).

Рис. 3. Распределение объемной активности радона на отложениях кайнозоя и палеозоя

Рис. 4. Мощность техногенных грунтов на территории Казани [9]

Две контрольные точки, приуроченные к левобережью р. Волги ниже по течению, южнее Казани под номерами 17 и 27 (рис. 1), выпадают из общей картины выделенного авторами поля аллювиальных отложений, значения их составляют около 19 тыс. Бк/м3 (рис. 3).

Во многих случаях подобные квазианомальные точки в поле однородных геологических условий обнаруживают взаимосвязь с антропогенным фактором: недавним техногенным воздействием на почвенно-грунтовые условия, особенно в окрестностях города Казани (рис. 4).

При создании Куйбышевского водохранилища на р. Волга в 1950-х гг. в окрестностях г. Казани предусматривалось полное затопление территории пойменной и подтопление высокой надпойменной террасы р. Волги и Казанки. Для сохранения некоторых пастбищно-кормовых угодий и предохранения некоторых подтопленных участков города были приняты особые меры: создание заградительных насыпных и бетонных дамб и проведение параллельно им водосборных и отводных каналов вокруг города для аккумуляции весенне-паводковых вод и вод, фильтрующихся через грунт из самого Куйбышевского водохранилища при высоком стоянии его уровня. Было создано несколько водосборных бассейнов и водоотливных станций для понижения уровня и перекачки избыточных вод через водозаградительные дамбы обратно в р. Волгу. В дополнение к этому были произведены площадные подсыпки грунтов для подъема уровня некоторых территорий города. Для этого использовались отходы (зола от угольного и мазутного топлива) нескольких ТЭЦ г. Казани, которые складировались раньше в виде терриконов или засыпались в старичные озера и болота вокруг города. Чтобы легкие фракции золы летом не раздувались ветром, зольные слои засыпались толстым слоем (от 2 м и более) речного песка, взятого земснарядами из русла Волги и из ее террас. Таких территорий много в Московском, Ново-Савиновском и Кировском районах города [9]. Слежавшаяся за многие годы зола ТЭЦ с обильным содержанием стеклянных осколков от нагара нагнетательных форсунок печей ТЭЦ превратилась в черные плотные слои, покрывающие первичный природный почвенно-растительный слой и почвенный мелкозем вместе с элювием и делювием коренных пород. Они сильно изменили первичную картину распределения существующих потоков выхода радона.

Выравнивание поверхности рельефа при этих мероприятиях привело к тому, что насыпные грунты имеют теперь очень неравномерную мощность, что сильно влияет на их водо- и газопроницаемость. Это и порождает пестроту значений выходов радона на поверхность и не должно восприниматься как ошибочные измерения, а также пестрота (контрастность) значений на соседних точках и разброс показаний связаны со свойствами самого грунта и его способностью уплотняться до первичного состояния.

В предлагаемом анализе получаемых данных трещины тектонического происхождения представляют для наших исследований наибольший интерес, поскольку имеют глубокое заложение и почти вертикальные углы падения при достаточно хорошей раскрытости (т.е. ширине) и густоте их расположения в различных участках местности. Само расположение трещинных деформаций над антиклинальными структурами или рядом с линиями глубинных разломов также оказывало влияние на распределение трещин во всей толще палеозоя Татарстана.

Рис. 5. Тектоническая схема Волжско-Камской антеклизы [10]

Город Казань, как известно, расположен над относительно узким Казанско-Кировским прогибом между двух выступов кристаллического фундамента – Токмовским сводом и северным куполом Татарского свода, ограниченных глубинными разломами. Они имеют глубокое заложение и, как авторы предполагают, обеспечивают пути миграции радона из первичных зон его генерации среди гранитоидных интрузий в фундаменте и в авлакогенах (глубоких впадинах) фундамента Волго-Камской антеклизы и на Татарском своде [6, 10].

При анализе использовались также некоторые данные по распределению сейсмически установленных зон разуплотнения пород, известных в Татарстане как зоны малых скоростей, приуроченных к закарстованным толщам гипсов и ангидритов сакмарского яруса перми. Эти зоны с их пустотами и скрытыми пещерами, несомненно, влияют на горизонтальную миграцию скоплений радона.

В верхних частях кайнозойского разреза вдоль долины Волги на выходы радона основное воздействие оказывают литологические разности пород обломочных отложений. Грубые и разнозернистые пески и гравийно-галечные скопления, слагающие террасы, обычно выступают как хорошие проводники, тогда как глинистые отложения древнего старичного аллювия среди этих отложений могут играть роль местных экранов и препятствий для продвижения глубинных потоков газа вдоль палеорусел и видимых в рельефе врезов Волги (майтугах) и ее притоков [11].

Заключение

Трещиноватость пород обусловливает проницаемость верхней части осадочного чехла, и, хотя в четвертичных рыхлых породах на склонах рельефа трещины открыто не проявляются, исследования обнаруживают, что выходы глубинных газов над ними легче осуществляются. Поэтому на карте выделяются два поля, а на гистограмме две зоны различной проницаемости грунтов, определяющие особенности распределения активности выходов радона на изучаемой площади. Легкие газы, такие как водород, метан и гелий, быстро разносятся в подвижной атмосфере, тогда как радон, как тяжелый газ, имеет тенденцию стекать в понижения рельефа и задерживаться в них.

Полученные материалы и результаты их интерпретации авторы рассматривают как первый опыт использования имеющейся аппаратуры для осуществления крупномасштабных площадных экологических и гидрогеологических исследований с целью обнаружения опасных участков возможных скоплений радона в низинах пригородных зон г. Казани.

Принимая во внимание большой удельный вес радона, его способность формировать застойные зоны в понижениях рельефа и адсорбцию его органикой, для повышения надежности полевых исследований имеет смысл предпринять изучение и последующее использование корреляции концентраций радона с массовыми выходами других, более подвижных и легких газов.