Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ РОСТОВСКОЙ АЭС

В.Н. Морозов, М.В. Родкин, В.Н. Татаринов

УДК 624.131.1

Геофизический центр РАН, г. Москва

Аннотация: Приведены результаты анализа поля современных тектонических деформаций, на основе изучения разломной тектоники и числовой модели рельефа, а также сейсмотектонических условий и сейсмической безопасности района РоАЭС. Представлена схема геодинамической сети GPS - наблюдений за современными движениями земной коры в регионе.

GEODYNAMIC SAFETY OF THE ROSTOV NUCLEAR POWER PLANT

V.N. Morozov, M.V. Rodkin, V.N. Tatarinov

Geophysical center of RAS, Moscow

Annotation: Results of investigations of the recent crustal movements, fault system, seismotectonics and of the digital relief model are presented and discussed in connection with the problem of evaluation of geodynamic safety of the site of the Rostov Nuclear Power Plant. Scheme of geodynamic monitoring of the site (including system of GPS points of measurements) is elaborated and discussed.

Выбор участков для размещения действующих и строящихся АЭС на территории России (в т.ч. Ростовской АЭС) выполнялся на основе существовавших, на момент проектирования норм и правил размещения и строительства объектов ядерно-топливного цикла (ОЯТЦ). За прошедшее время большинство из этих норм были существенно пересмотрены и дополнены в соответствии с новыми российскими и международными стандартами. В частности, имеется требование МАГАТЭ о необходимости исследования геодинамического режима в радиусе до 200 км от АЭС. Такие требования не выполнены в полной мере в настоящее время для большинства российских АЭС. Ужесточение требований к безопасности АЭС и отсутствие полных и научно-обоснованных знаний о состоянии земной коры создали диспропорцию, когда с одной стороны проектируются дорогостоящие мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатации реакторов АЭС, а с другой - не решены вопросы долгосрочного прогноза стабильности и устойчивости геологической среды, являющейся основой фундамента реакторов.

В 1998 году Геофизический центр РАН в рамках договора с Нижегородским институтом "Атомэнергопроект" начал работы по изучению геодинамического режима района Ростовской АЭС с целью оценки устойчивости и стабильности геологической среды и прогноза сейсмотектонической опасности. Исследования включали в себя следующие этапы:

1. Предварительное выявление активных тектонических структур в радиусе до 200 км от РоАЭС;
2. Предварительную оценку сейсмоопасности площадки РоАЭС по комплексу сейсмотектонических данных;
3. Проведение геодинамического мониторинга района РоАЭС на основе GPS технологии.

В качестве конечного результата исследований предполагается получение комплексной оценки и прогноза стабильности и устойчивости геологической среды района промплощадки РоАЭС на различных иерархических уровнях.

Рассмотрим предварительные результаты исследований.

1. Анализ поля современных тектонических деформаций района РоАЭС

На первом этапе работ, на основе анализа многочисленных архивных и фондовых источников, а также данных геолого-геофизических наблюдений, были выделены и классифицированы основные тектонические нарушения района исследований.

В строении верхней части земной коры в районе Ростовской АЭС выделяются два структурных этажа: нижний - кристаллический фундамент, сложенный докембрийскими образованиями, и верхний - осадочный чехол, представленный домезозойскими и мезокайнозойскими отложениями. В региональном плане район приурочен к борту кряжа Карпинского, и характеризуется сочленением разновозрастных тектонических элементов древней Восточно-Европейской платформы и эпигерцинской Скифской плиты.

По значению и размерам (протяженность, ширина) в тектоническом строении района Ростовской АЭС основные разломы разделяются на три группы (рис. 1):

- важнейшие глубинные разломы - Донбасско-Астраханский и Северо-Ростовский;

- прочие глубинные разломы - Северо-Манычский, Донецкий, Волгоградский, Западно-Ставропольский;

- региональные разломы - Северо-Донецкий, Ремонтненский.

Основные разломные структуры имеют девонский возраст и в последующем неоднократно активизировались. Разломы образуют две четко выраженные основные сис-темы. Одна - западного и северо-западного простирания, параллельная складчатым структурам Донбасса; другая - ортогональная. Взаимодействие этих систем разломов обусловливает сложное блоковое строение кристаллического фундамента и осадочного чехла рассматриваемого региона, в последнем развиты также тектонические нарушения, связанные с оперяющими глубинные разломы нарушениями меньшего ранга.

Ближайший крупный разлом (Донбасско-Астраханский) проходит на расстоянии 20-30 км от площадки АЭС. Согласно современным представлениям, разломы важны при определении геодинамической и сейсмической опасности как мера активности территории в новейшее время. Активными считаются разломы, по которым проявляются смещения (за последние сотни, десятки тысяч и тысячи лет, вплоть до современности) со средними скоростями не менее 0.01 мм/год [1].

Отсюда встает задача инструментального доказательства современной активности разломной сети в окрестности РоАЭС. Особенно трудно выявлять активные разломы в платформенных областях с относительно малыми и малоконтрастными скоростями современных движений земной коры (СДЗК). К таким областям относится и район Ростовской АЭС. Специальные работы по оценке активности разломов, кроме мелкомасштабной гелиевой съемки, насколько известно авторам, здесь не проводились. Как следствие этого, выделяемые на картах зоны разломов не сопровождаются характеристиками их современной активности.

Имеются некоторые косвенные данные, позволяющие судить о степени активности разломов. Так по данным аэрокосмической съемки отчетливо фиксируется протяженный уступ субширотного простирания к югу от нижнего течения р. Дон, который может указывать на активность движений по Северо-Ростовскому разлому. Более определенные (хотя также единичные и не систематизированные) признаки молодых (тысячи лет) и современных вертикальных движений обнаружены вдоль Северо-Азовского разлома, который, с учетом мнения А.А. Никонова, может сочленяться по руслу р. Дон с зоной Александровского грабена севернее г. Волгограда. Эти разломы маркируются уступами рельефа, в виде нарушений погребенных почв, смещениями береговой линии, а также аномалиями по данным повторных геодезических наблюдений.

Вышесказанное касается структур регионального масштаба. Однако эти структуры могут определять устойчивость геологической среды и непосредственно в районе РоАЭС. Без их учета нельзя оценить СДЗК в пределах площадки РоАЭС.

Предварительные данные оценки современной тектонической активности различных сегментов разломной сети в окрестности Ростовской АЭС были получены также в результате анализа числовой модели рельефа. Он основан на том, что "тектогенные" зоны должны отличаться от обычных "экзогенных" градиентных зон изменений рельефа своей большей вытянутостью и линейностью. Отсюда можно вычленить проявления современных тектонических нарушений как более линейно выдержанные высокоградиентные зоны. Исходя из таких предпосылок, по числовой модели рельефа района РоАЭС была выделена протяженная (около 200 км) предположительно "тектогенная" зона, совпадающая с положением одной из упомянутых выше глубинных разломных зон (Северо-Манычский разлом).

В свете современных данных требует уточнения аргументация тектонической стабильности площадки РоАЭС исходя из данных по вертикальной составляющей СДЗК. Использованные для этого данные основывались, в основном, на анализе карт. Карты вертикальных СДЗК описывают усредненные изменения высот реперов по достаточно редкой сети и за длительные (1-2 десятков лет и более) интервалы времени. Такие данные, за редким исключением, не позволяют выявить кратковременные и локальные (даже весьма сильные) аномалии значений СДЗК. А именно такие изменения и представляют наибольший интерес при анализе вопросов геоэкологической безопасности. Известно, что для платформенных разломных зон может иметь место интенсивное изменение высот дневной поверхности со скоростями в несколько см/год. При этом вблизи разломов наблюдаются аномально большие деформации порядка 10^-5 1/год. В связи с проблемой анализа безопасности площадки РоАЭС от современных деформаций необходимо решение трех задач: действительно ли непосредственно на площадке АЭС отсутствуют современные дизъюнктивные нарушения, каковы возможные негативные последствия для сооружений РоАЭС развития СДЗК на соседних зонах нарушений, и каковы возможные изменения состояния среды, вносимые функционированием АЭС (например, изменением водного режима площадки). Первые две проблемы могут быть решены на основе предварительных изысканий, третья может требовать создания сети мониторинга в процессе функционирования АЭС.

В настоящее время все большее применение в решении задач геодинамики находят методы, основанные на GPS-технологии. Использование методов классической геодезии для изучения кинематики структурно-тектонических блоков на больших территориях ввиду их малой точности и трудоемкости нерационально. GPS методы на порядок выше по точности и обладают значительно большей производительностью и меньшей стоимостью полевых работ. В Геофизическом центре РАН накоплен большой опыт по проведению GPS наблюдений. В частности, в 1995-96 гг. были выполнены работы в рамках совместного российско-американского проекта RUSEG на территории всей России, с 1995 г. ведутся наблюдения на геодинамических полигонах на Калининской и Нововоронежской АЭС [3, 4]. В ГЦ РАН инсталлирован пакет программ GAMIT и Gipsy, являющихся в настоящее время наиболее эффективными при определении СДЗК на больших базах.

На основе анализа геологического материала и геодинамической обстановки в районе Ростовской АЭС был разработан проект сети GPS наблюдений. Расположение пунктов GPS-сети в районе АЭС показано на на рис. 1. Рекомендованная сеть для проведения GPS наблюдений включает в себя два уровня - локальный и региональный и состоит из 20 реперных GPS пунктов.

1. Локальная сеть. Основная задача наблюдений на локальной сети - определить наличие в непосредственной близости от АЭС участков с аномально высокими значениями СДЗК. Локальная сеть ограничена радиусом до 20 км от АЭС и базируется на семи реперах, запроектированных институтом "Атомэнегопроект" для проведения геодезических работ на промпрощадке АЭС. Мы считаем, что эту сеть необходимо дополнить тремя реперами. Два репера следует расположить на правом берегу Цимлянского водохранилища для проверки гипотезы не совпадает ли русло реки с тектоническими разломами, продолжающими зону Северо-Азовского грабена на данном участке. Третий репер необходимо расположить по другую сторону системы Северо-Донецкого и Донбасско-Астраханского разломов для контроля возможных относительных перемещений по этой, ближайшей с промплощадке РоАЭС, системе региональных разло-мов. Таким образом, локальная сеть будет включать десять пунктов GPS наблюдений.

2. Региональная сеть. Пункты субрегиональной сети предполагается использовать для контроля возможных перемещений по системе близко лежащих к АЭС и наиболее активных (по прогнозу) глубинных разломов, при этом их предполагается разместить вблизи участков пересечения наиболее крупных и активных тектонических разломов. Таких участков три (рис. 1). На первом и втором участках целесообразна установка трех реперов, на третьем - двух. Кроме этого в районе пересечения профиля наблюдений за вертикальными движениями вдоль ж.-д. Краснодар - Волгоград с зоной Ремонтненского разлома закладываются еще два репера - по обе стороны от разлома.

3. Привязка к IGS-сети. GPS-пункты локальной и региональных сетей привязываются к пунктам IGS-cети международной системы координат - ITRF. Наиболее близко расположенными к РоАЭС пунктами IGS-сети являются: Звенигород (ZWEN), Менделеево (MDVO), Зеленчукская (ZECK) и Арти (ARTU).

На настоящий момент на локальной сети наблюдений выполнена первая серия наблюдений, в результате которой были получены исходные координаты пунктов и величины базисных векторов (эпоха 0). В дальнейшем планируется проведение повторных серий GPS наблюдений.

2. Сейсмотектонические условия и сейсмическая безопасность района РоАЭС

Ближайшие к зоне РоАЭС известные землетрясения происходили на удалении 100-200 км к югу от площадки и имели магнитуду 4.1 и 4.3. Пространственно эти события соответствуют области пересечения Северо-Ростовского - Северо-Манычского разлома с зоной сочленения Волгоградского и Северо-Ставропольского глубинных разломов (рис. 1). Реальной опасности для сооружений РоАЭС такие события не представляют. Такую опасность представляла бы, однако, потенциальная возможность реализации сильного местного события. Подход к оценке возможности такого события и, тем самым, оценка сейсмоопасности может быть реализован на основе современных представлений о сейсмичности платформенных областей.

Строительство большинства российских объектов ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) велось в соответствии с нормативами СНиП II-7-81, основанными на карте "Общего сейсмического районирования (ОСР-78)". Однако, за последующие после из-дания этой карты годы неоднократно происходили 8- и даже 9-10-ти балльные землетрясения в зонах, сейсмоопасность которых на карте ОСР-78 была обозначена ниже на 2-3 балла. После каждого такого события происходил локальный пересмотр карты ОСР-78 в сторону увеличения сейсмической опасности. Такие поправки носили, естественно, несистематический и случайный характер. Результатом комплексной переинтерпретации данных по сейсмическому районированию явился новый Комплект карт "Общего сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97)". Согласно ОСР-97, оценки сейсмической опасности многих территорий существенно возросли. Последнее не относится к району размещения РоАЭС, но явная тенденция переоценки сейсмичности (особенно заметная в отношении платформенных территорий) должна быть принята во внимание и в случае РоАЭС.

Применительно к проблеме сейсмобезопасности РоАЭС наибольшее значение имеет потенциальная возможность возникновения редких сильных землетрясений, подобных тем, что в аналогичной (платформенной) тектонической обстановке происходили в Северной Америке, Фенноскандии, на Туранской плите, в Северной Африке, Индии и в Австралии. Природа и вероятная локализация таких редких экстраординарных событий не ясна. В литературе отмечается приуроченность очагов платформенных землетрясений к древним рифтовым зонам и к областям сильного техногенного воздействия на геологическую среду. В этой связи обращает на себя внимание, что РоАЭС располагается на северном склоне вала Карпинского, крупной палеорифтовой структуры европейской части РФ, являющейся сегментом обширной девонской Сарматско-Туаркырской рифтовой системы [2]. Указанная структура имеет однако достаточно древний возраст образования, ввиду чего палеорифтовая природа зоны расположения РоАЭС не дает сколь либо веских оснований к пересмотру представлений о низкой сейсмоопасности этой зоны.

Перспективный подход к более локализованному выделению сейсмоопасных зон на платформах намечен в работах И.В. Ананьина. Им было показано, что области локализации сильных землетрясений в пределах сейсмоактивных поясов соответствуют узким зонам высокого поглощения сейсмических волн [5]. Им на территории Восточно-Европейской платформы было выявлено несколько протяженных областей повышенного поглощения сейсмических волн. При этом суммарные величины поглощения в некоторых из этих шовных зон довольно велики - аналогичные зоны в подвижных поясах совпадают с очагами землетрясений с магнитудой 7 и более, что косвенно свидетельствует о возможности возникновения аналогичных землетрясений и в пределах платформ. Одна такая зона высокого поглощения располагается с юга от площадки РоАЭС, а вторая (субмеридианального простирания) проходит в районе площадки или слегка восточнее. Южная зона захватывает нижнее течение Дона, приблизительно соответствуя положению вала Карпинского и Днепровско-Донецкого авлакогена. Восточная зона высокого поглощения приблизительно соответствует расположению Западно-Ставропольского и Волгоградского глубинных разломов.

Другой подход к оценке максимально возможных магнитуд платформенных землетрясений, основанный на аналогии тектонических и сейсмических деформаций, реализован в [6]. Согласно трем модификациям этого метода (в различной степени использующим информацию о сейсмическом режиме) максимально возможная магнитуда землетрясения в районе РоАЭС составляет 5.0 - 5.5. В предположении реализации землетрясения с магнитудой 5.5 на ближайшем достоверно установленном участке глубинного Донбасско-Астраханского разлома (на удалении 20 км от РоАЭС) балльность на площадке РоАЭС составит около 6.5 балла. Такая оценка превосходит данные карты ОСР-97. При этом следует иметь в виду, что нет полной уверенности, что результаты [6] действительно дают максимально возможную магнитуду. В пользу такого сомнения указывает то, что ни один из трех приведенных в [6] вариантов расчета не указал на возможность реализации известного по историческим данным землетрясения в районе Белого моря с магнитудой 6.5.

Приведенные данные указывают на актуальность более детального анализа сейсмотектонической обстановки района размещения РоАЭС. С целью такого анализа нами использовались мировая модель высот геоида с точностью разложения до 360 сферической гармоники и числовая модель рельефа. На рис. 3 приведена карта градиентов поля высот геоида для района РоАЭС. Наиболее сильные аномалии соответствуют зонам Волгоградского и западной и юго-восточным частям Донбасско-Астраханского разломов. Сильные аномалии поля градиентов высот геоида видны также в Прикаспии, где они совпадают с областями повышенной сейсмичности. Перечисленные аномалии четко проявляются на фоне общего выполаживания поля градиентов высот геоида от Кавказа вглубь Европейской платформы.

Если трактовать совпадающие с известными глубинными разломами выделенные области высоких градиентов поля высот геоида как активные участки разломов, то представляется возможным оценить для этих зон максимально возможную магнитуду, а затем, по соотношению (1) ожидаемую балльность на площадке РоАЭС.

Для оценки М_max можно воспользоваться формулой, полученную в результате обобщения эмпирических данных по Восточно-Европейской платформе [7, 8]:

М_max = 0.54 + 1.87 lg(L),       (1)

где - L длина активного участка разлома. Можно воспользоваться также соотношением (2), рекомендуемым для разломов неясной степени тектонической активности [6]:

М_max = 1.4 + 1.5 lg(L),       (2)

Используя соотношения (1) и (2) получаем оценки М_max равные 4.8 и 4.8 и 5.3 и 5.2 для участков Донбасско-Астраханского и Волгоградского глубинных разломов соответственно. Полученные оценки близки к приведенным выше значениям 5.0 - 5.5. При этом, за счет различия дальности до площадки РоАЭС оцениваемая по (1) ожидаемая сотрясаемость в обоих случаях составит 5.0 - 5.5 балла.

Приведенные результаты выделения зон ВОЗ методами анализа поля высот геоида и числовой модели рельефа дают значения возможной максимальной балльности площадки РоАЭС в пределах изменений этой величины по литературным данным. Тем самым несколько сужается диапазон неопределенности в значениях этой величины. Такая неопределенность, учитывая, что приведенный анализ носит предварительный характер, остается однако весьма высокой. В практическом отношении более существенно, что проведенный анализ дает основания для "нацеливания" мониторинга на определенные, наиболее потенциально опасные, разломные зоны или на участки этих зон.

При интерпретации результатов мониторинга важно иметь в виду характер эмпирических распределений анализируемых параметров. В первую очередь это относится к существенной неравномерности развития во времени горизонтальных смещений и факта распределения "силы" сейсмотектонических событий в соответствии с законом Парето (наиболее известным примером такого распределения имеет классический закон повторяемости землетрясений Гутенберга-Рихтера). Неравномерность развития горизонтальных смещений важно учитывать если скорости движений оцениваются не по результатам непрерывного мониторинга, а по данным отдельных эпох наблюдений. Для учета этого эффекта необходимо вводить дополнительную погрешность, зависящую от числа эпох наблюдений и от интервала времени между ними. Что касается степенного характера распределения сейсмотектонических характеристик, то следует учитывать, что для таких распределений характерный суммарный эффект нарастает со временем нелинейным образом, как это показано в [9] на примере ущербов от землетрясений. Отмеченные особенности режима сейсмотектонических процессов свидетельствуют в пользу предпочтительности длинных серий мониторинговых наблюдений и накладывают определенные методические ограничения на характер обработки результатов наблюдений.

3. Выводы

Подведем итоги анализа исходной информации для обоснования целей и задач сети мониторинга района, направленного на оценку и прогноз геодинамической безопасности РоАЭС.

1. Современные представления о сейсмичности платформенных областей определенно указывают на потенциальную возможность возникновения на платформах сильных землетрясений. Настораживающим фактом является при этом то обстоятельство, что в непосредственной близости от зоны РоАЭС расположены протяженные региональные зоны высокого поглощения сейсмических волн;

2. В районе РоАЭС местная сейсмичность (по предварительным данным) регистрируется на западном и восточном продолжении Донбасско-Астраханского разлома (эти же участки разлома совпадают с аномалиями в поле градиентов высот геоида), а также в области пересечения Западно-Ставропольской зоны разломов с Северо-Ростовским и Северо-Маныческим разломами;

3. Зона Волгоградского разлома и западный и восточный участки Донбасско-Астраханского разлома характеризуются сильными протяженными аномалиями в поле градиентов высот геоида, что указывает на наличие здесь контакта различных по плотностному строению блоков земной коры. Уместно отметить, что подобного рода аномалии типичны для районов сильных платформенных землетрясений;

4. Северо-Маныческий, а также отдельные участки Донбасско-Астраханского и Волгоградского разломов находят отражение в характере рельефа местности, что указывает на их вероятную современную тектоническую активность;

5. Ближайший к РоАЭС отрезок Донбасско-Астраханского разлома не проявляется ни в современной слабой сейсмичности (в той мере, в какой ее можно считать известной), ни в аномалиях гравитационного поля, ни в числовой модели рельефа, ни в гелиометрических измерениях, что свидетельствует о пассивности этого участка. Отметим, однако, что вывод о пассивности разлома плохо согласуется с наличием явных признаков активности на соседних (западном и восточном) участках того же разлома;

6. Наличие многих неопределенностей в трактовке активности тектонических нарушений на различных иерархических уровнях обусловливает актуальность геодинамического мониторинга района РоАЭС, в частности расширения существующей сети пунктов GPS наблюдений с целью охвата участков предположительно активных разломов близкорасположенных к площадке РоАЭС.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Местоположение ближайших к площадке Ростовской АЭС крупных разломов, сейсмических явлений и пунктов геодинамической GPS-сети

Использованные источники:

1. Никонов А.А. Активные разломы: определение и проблемы выделения //Геоэкология. М., 1995. №4. С.16-27.

2. Волож Ю.А., Антипов М.П., Леонов Ю.Г., Морозов А.Ф. и Юров Ю.А. Строение кряжа Карпинского //Геоэкология, 1999, №1, С.28-43.

3. Mорозов В.Н., Татаринов В.Н., Лопанчук А.А. Использование GPS-технологии для обеспечения геоэкологической безопасности АЭС. III Международная конф. "Новые идеи в науках о Земле". М., 1997. С.61.

4. Morozov V.N., Tatarinov V.N. Prediction and models modern crustal movements in the areas of objects of nuclear-fuel cycle. XXIII General Assembly European Geophysical Society. Nice. 1998.

5. Ананьин И.В. Сейсмоактивные зоны Восточно-Европейской платформы и Урала. В кн.: Комплексная оценка сейсмической опасности. Вопросы инженерной сейсмо-логии. Вып. 32. АН СССР. Наука. М. 1991. С.106-125.

6. Грачев А.Ф., Магницкий В.А., Мухамедиев Ш.А., Юнга С.Л. К определению максимально возможных магнитуд землетрясений на Восточно-Европейской платформе //Физика Земли, 1996, №7, С.3-20.

7. Бугаев Е.Г. Методика оценки максимального потенциала платформенных землетрясений (на примере условий размещения площадки Калининской АЭС) //Физика Земли, 1999, №2, С.35-51.

8. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. ПНАЭ Г-5-006-87. М.: Энергоиздат, 1989.

9. Родкин М.В., Писаренко В.Ф. Экономический ущерб и жертвы от землетрясений: статистический анализ. Вычислительная сейсмология. Вып.31, 2000, C.49-73.

© 2001 Владислав Н. Морозов, Михаил В. Родкин, Виктор Н. Татаринов