Изменение химического состава подземных вод в ограниченных карбонатных структурах при окислении пирита покровных отложений (стр. 2 из 5)

Оценена роль процесса гипсообразования в зоне окисления - как буфера, препятствующего катастрофическому ухудшению качества воды на питьевых водозаборах.

Установлено, что при складировании пиритсодержащих глинистых пород на поверхности земли за несколько месяцев может окислиться до 20% пирита, а для полного вымывания образовавшегося гипса инфильтрационным потоком потребуется несколько сотен лет.

Практическая значимость. В работе дан прогноз времени стабилизации и конечного химического состава подземных вод на Полдневском и Северо-Мазулинском водозаборах, которые используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения городов Богданович и Каменск-Уральский. Разработана гидрогеохимическая модель окисления пирита и миграции продуктов окисления в водоносный горизонт. Показано, что допустимое понижение уровня подземных вод на месторождениях данного типа должно учитывать верхнюю границу распространения пород, содержащих пирит. Рекомендовано применение барражных скважин, для защиты водозаборов от загрязнения со стороны карьеров и отвалов.

Результаты исследований использовались при переоценке эксплуатационных запасов Полдневского, Богдановичского и Северо-Мазулинского месторождений подземных вод и проведении мониторинга на Троицко-Байновском месторождении огнеупорных глин. На основе авторских рекомендаций в 2002 году была изменена схема Полдневского водозабора с использованием барражной скважины между карьером и водозабором. Это позволило существенно улучшить качество отбираемой воды и довести его до питьевых кондиций по жесткости (по крайней мере, на ближайшие 10 - 20 лет).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в 6 публикациях и 2 отчетах по оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения г. Богданович, утвержденных ТКЗ ДПР по Уральскому региону (2002, 2003), доложены на международном конгрессе ЭКВАТЭК 2002, на конференции <Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики> (С.Петербург, 2002), на Сергеевских чтениях (Москва, 2002, 2005), на Ломоносовских чтениях Геологического факультета МГУ (Москва, 2005).

Диссертационная работа выполнена под научным руководством д.г.-м.н., профессора А.В. Лехова, которому автор выражает глубокую благодарность за советы и всестороннюю помощь. Автор также благодарен директору НПФ <ПАНЭКС> к.г.-м.н. А.Л. Фельдману за организацию полевых работ по изучению зоны окисления Полдневского месторождения и директору ТЦ Уралгеомониторинг к.г.-м.н. Л.С. Рыбниковой за консультации и помощь в сборе фактического материала, а также д.г.-м.н., профессору Р.С. Штенгелову за ряд ценных критических замечаний. Большую помощь в изучении истории совместной эксплуатации карьера глин и водозабора оказал главный геолог Богдановичского ОАО <Огнеупоры> Г.И. Вольхин, которому автор очень благодарен. Автор также благодарен ведущему гидрогеологу НПФ <ПАНЭКС> Ю.А. Аристову за помощь в проведении опробования зоны окисления.

Глава 1. Общие сведения о Полдневском месторождении

В данной главе описываются гидрогеологические особенности месторождений подземных вод в ограниченных карбонатных структурах широко распространенных на стыке горно-складчатого Урала и Западно-Сибирской низменности на примере типичного Полдневского месторождения. В геологическом строении района принимают участие комплексы пород, принадлежащие двум структурным этажам: нижний сложен дислоцированными породами палеозойского возраста и принадлежит Уральской геосинклинали, верхний представлен мезо-кайнозойскими осадками и принадлежит платформенному покрову Западно-Сибирской низменности. Палеозойский фундамент сложен осадочными породами верхнедевонского и каменноугольного возраста. Наличие значительного количества дизъюнктивных нарушений обусловливает блочное строение палеозойского фундамента. Отложения среднего карбона сохранились только в ядрах вторичных складок и в плане рисуются в виде нескольких вытянутых по меридиану узких полос известняков. На неровной поверхности палеозойского фундамента трансгрессивно залегают континентальные и морские мезозойско-кайнозойские отложения мощностью в среднем 35-40 м.

Питание водоносных комплексов происходит путем инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка в естественных условиях в местную речную сеть. В пределах района в естественных условиях развиты пресные воды с минерализацией 0,2-0,8 г/л, по химическому составу гидрокарбонатные кальциевые или кальциево-магниевые. В процессе эксплуатации водозаборов горизонтальное движение воды происходит в водоносном горизонте каменноугольных известняков, высокой водопроводимости. Покровные отложения обеспечивают регулирование неравномерности инфильтрационного питания благодаря высокой емкости.

Полдневской водозабор расположен в пределах Троицко-Байновского месторождения огнеупорных глин. Отработка карьеров до марта 1957 года велась без опережающего водопонижения в известняках. Полдневской дренажный водозабор с 1971 используется для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Богданович. За время эксплуатации Полдневского водозабора и карьерного дренажа состав воды из гидрокарбонатного стал сульфатно-гидрокарбонатным, минерализация возросла от 0,5 до 0,9 г/л и более, преимущественно за счет сульфата от 15 до 60-180 мг/л и жесткости (от 6-6,5 до 8-10 мг-экв/л) (рис. 1).

Анализ показывает, что депрессионная воронка имеет асимметричное строение и вытянута по простиранию полосы известняков. С 1973 года, после увеличения водоотбора с 5-6 до 18-19 тыс. м3/сут, произошло резкое снижение уровней подземных вод от 25-26 м до 35-37м в 1977 году. С тех пор наблюдается колебание уровня в пределах от 36 до 33 м, связанное с производительностью суммарного водоотбора и водностью периода наблюдений.

Общая площадь карбонатных пород в пределах депрессии 42 км2. Кроме того, в формировании эксплуатационных запасов данного месторождения участвуют площади терригенных пород, подземный и поверхностный сток с которых направлен в сторону депрессии в карбонатных породах. Площадь терригенных пород, участвующих в формировании эксплуатационных запасов подземных вод Полдневского месторождения, 16 км2. Общая площадь формирования ресурсов 58 км2. Модуль подземного стока терригенных пород для данного района составляет 1.1 л/с/км2. Эксплуатационный модуль на площади известняков составляет 3.5 л/с с км2 и превышает модуль общего стока данной территории в 1.2 раза. Это объясняется тем, что поверхностный сток с территории терригенных пород направлен на площади развития известняков, где он поглощается, обеспечивая дополнительное питание подземных вод. В формировании эксплуатационных запасов Полдневского месторождения участвует не только инфильтрационное питание, но и привлекаемый транзитный сток р. Бол. Калиновка (10 - 15 % водоотбора).

Глава 2. Характеристика покровных отложений Полдневского месторождения

Ухудшение качества подземных вод на Полдневском месторождении (как и на месторождениях - аналогах) происходит в результате формирования зоны окисления пирита, содержащегося в покровных отложениях. Поэтому большое значение имеет изучение закономерностей распределения пирита и структуры порового пространства покровных отложений. Последняя определяет доступ кислорода в зону окисления и миграцию продуктов окисления на кровлю водоносного горизонта.

Методика изучения покровных отложений

Для изучения покровных отложений и сформированной в них зоны окисления на площади Полдневского месторождения было пробурено три скважины с отбором керна: 7н и 2г' на покровные отложения естественного сложения, 6тн на породы внутреннего отвала в теле рекультивированного карьера. Каждая проба разделялась на 2 части 1) для определения водно-физических свойств и гранулометрического состава, 2) подвергалась квартованию, а затем разделялась на три части для передачи в разные лаборатории. Скважины после бурения обсаживались глухими трубами, кроме небольшого интервала, где устанавливался фильтр. Из скважин 6тн и 7н после прокачки были отобраны пробы воды с последующим химическим анализом.

Результаты водно-физических и гранулометрических исследований использовались при анализе структуры порового пространства пород покровных отложений. В ходе химического анализа, определялись различные формы серы, углерода, железа. Общее содержание серы определялось объемным методом с чувствительностью 0.008 % от сухого веса породы. Минералогический полуколичественный анализ выполнялся с целью установления характерных размеров зерен пирита и их содержания в породе. Определение минералов выполнялось в классах частиц крупности: > 0.05 мм; от 0.01 до 0.05 мм; < 0.01 мм. Для оценки преобразования продуктов окисления пирита в покровных отложениях выполнялся анализ водных вытяжек в соответствии с ГОСТ 26423-85 (423-428).

Структура порового пространства покровных отложений

Покровные отложения в пределах Полдневского месторождения подземных вод (как и на месторождениях - аналогах) представлены толщей переслаивающихся песчано-глинистых отложений. Преобладают глины, суглинки и супеси. Редкие песчаные прослои представлены глинистыми песками. Глинистые покровные отложения характеризуются ярко выраженной гетерогенностью порового пространства. Для схематизации миграционной среды покровных отложений, всю пористость целесообразно разбить на три типа: 1) Соответствующая гравитационной водоотдаче, обеспечивает конвективный перенос вещества в зоне полного водонасыщения и заполнена воздухом в зоне аэрации. 2) Соответствующая максимальной молекулярной влагоемкости, участвует в диффузионном переносе. 3) Закрытая или изолированная - характеризует объем изолированных пор, которые не могут участвовать ни в конвективном, ни в диффузионном массопереносе.