Зміна хімічного складу підземних вод в обмежених карбонатних структурах при окисленні піриту покривних відкладень

(на прикладі Полдневского родовища Егоршінско-Каменської сінкліналі Східно-Уральського прогину)

Вишняк Олександр Ілліч

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геолого-мінералогічних наук

Вступ

Актуальність проблеми. На багатьох водозаборах Середнього Уралу спостерігається тривожна тенденція у зміні хімічного складу підземних вод. У процесі тривалої експлуатації водозаборів (більше 30 років) відбувається поступове збільшення концентрації сульфатів (з 10-20 до 100-300 мг/л), мінералізації (з 0,2-0,3 до 0,7-0,9 г/л) і жорсткості (з 4-7 ммоль/л до 8-15 ммоль/л). Така зміна хімічного складу підземних вод наголошується на водозаборах, каптірующіх прісні підземні води меридіонально витягнутих обмежених карбонатних структур, які простяглися на багато сотень кілометрів по кордону Горноскладчатого Уралу і Західно-Сибірської низовини. Значні ресурси підземних вод, що формуються в даних карбонатних структурах, багато років активно використовуються для водопостачання міст Уралу. Подальша трансформація хімічного складу може призвести до неможливості використання водозаборів по призначенням.

Причиною описаного вище погіршення якості підземних вод є активізація в результаті водовідбору процесів окислення піриту і сірчанокислотного вилуговування. Найбільш вивчені ці процеси на сульфідних (Смирнов, 1955; Щербина, 1955; Табаксблат, Сахарова, 1994) і вугільних (Амосов, 1965) родовищах. Однак такі явища спостерігаються на родовищах майже всіх видів корисних копалин, що добуваються на Середньому Уралі (Ковальчук та ін, 1963): колчеданних, поліметалічних і золотополіметалічний, залізорудних, вугільних, вогнетривких глин, бокситів, вапняків. Велика кількість матеріалів з розвитку процесів окислення сульфідів в різних гірських породах узагальнено А. І. Перельманом (Перельман, 1968).

Зміна хімічного складу підземних вод на водозаборах Середнього Уралу, пов'язане з окисленням піриту, розглянуто в ряді робіт (Лехов, Шваров, 1997, 2002; Фельдман, Вишняк, Рибникова, 2001, 2002; Лехов, Вишняк 2005). До теперішнього часу склалися такі уявлення про цей процес. Смуги карбонатних порід розбиті на окремі роз'єднані в гідродинамічної плані блоки. Площа блоків складає перші десятки квадратних кілометрів. Планова обмеженість даних гідрогеологічних структур призводить до утворення в результаті водовідбору глибокої депресії. У що сформувалася таким чином зоні аерації виявляються мезокайнозойскіе осадові породи, що складають верхній поверх родовищ, які спочатку містять розсіяний пірит, що утворився в результаті діяльності сульфатредуцірующіх бактерій. Зміна відновлювальних умов на окисні призводить до окислення сульфідних мінералів. У результаті утворюються кислі сульфатні води. При взаємодії їх з карбонатами кальцію і магнію відбувається нейтралізація кислотності, а за рахунок надходження в розчин іонів кальцію і магнію спостерігається зростання жорсткості і мінералізації.

Мета і завдання дослідження. Незважаючи на те, що причина погіршення якості підземних вод на даних водозаборах відома, задовільна кількісна гідрогеохімічних модель даного процесу до цих пір не розроблена. У Отже, без відповіді залишаються ряд важливих практичних питань: 1) Коли припиниться трансформація хімічного складу води на діючих водозаборах та чи буде вода придатна для питного водопостачання; 2) Чи можливо поліпшення або стабілізація якості води на давно експлуатованих водозаборах шляхом зміни схеми або інтенсивності водовідбору; 3) Як треба проектувати і експлуатувати водозабори в даних гідрогеологічних структурах, і які додаткові дослідження необхідні на етапі розвідки.

Мета даної роботи - розробка теоретичних та методичних основ для кількісного моделювання процесів зміни якості води на водозаборах, пов'язаного з окисленням піриту. Це дозволить дати відповіді на поставлені вище питання.

В завдання дослідження входили: 1) Узагальнення фактичних і літературних даних по питань окислення піриту; 2) Натурні дослідження, включаючи буріння свердловин, випробування і хіміко-аналітичні дослідження; 3) Порівняльний аналіз зміни хімічного складу підземних вод на серії водозаборів; 4) Формулювання математичної моделі з урахуванням міграції кисню, нейтралізації сірчаної кислоти, міграції продуктів; 5) Розрахунки швидкості зміни хімічного складу відбирається води за рахунок фактичної мінливості потужності покривних відкладень.

Об'єкт дослідження. Родовища підземних вод в обмежених карбонатних структурах Середнього Уралу характеризуються схожістю геолого-гідрогеологічних та геохімічних умов. Розглянути в рамках однієї роботи всі родовища, де спостерігається погіршення якості підземних вод внаслідок окислення піриту, неможливо. Необхідно використовувати принцип аналогії, вивчивши розвиток процесу на одному родовищі і поширюючи отримані висновки на інші.

Базисний об'єктом дослідження стало Полдневское родовище підземних вод, що використовується для господарсько-питного водопостачання міста Богданович Свердловської області. По даному родовищу останнім часом отримано найбільшу кількість даних. Там проводиться моніторинг підземних вод, пов'язаний зі спільною експлуатацією родовища вогнетривких глин і водозабору. На цьому об'єкті розвиток процесу окислення піриту і сірчанокислотного вилуговування може бути досліджено не тільки в умовах природного складання гірських порід, але і в техногенних утвореннях, пов'язаних з гірничими роботами (відвали, рекультивованих і діючі кар'єри).

Фактичний матеріал. Геологічна будова Полдневского родовища охарактеризовано 98 розвідувальними свердловинами. Регулярні режимні спостереження за хімічним складом, рівнем підземних вод і величиною водовідбору на об'єкті проводяться з початку 60-х років. У різні роки на об'єкті діяло від 7 до 22 спостережних свердловин розкривають породи палеозойського фундаменту (основний водоносні горизонт, складений карбонатними породами, і обмежують його Теригенні породи) з рядами спостережень більше 30-40 років.

Для детального вивчення зони окислення в рамках даної роботи було пробурено дві свердловини на покривні відкладення природного складання (глибиною 19 і 50 м) і одна свердловина на породи внутрішнього відвалу (глибиною 35 м) в тілі рекультивованих кар'єра. Моноліти, відібрані в процесі буріння через 1 -- 5 м (усього 31), використовувалися для визначення водно-фізичних властивостей, гранулометричного складу, хімічного складу порід, мінералогічного аналізу, хімічного складу порові розчинів і розчинних компонентів. Крім того, з даних свердловин відібрані проби води для визначення складу грунтових вод на ділянці зони окислення.

Методи дослідження. Робота полягала в узагальненні та аналізі багаторічних спостережень за режимом підземних вод на Полдневском родовища, а також у вивченні результатів випробування свердловин, розкривають безпосередньо зону окислення. Методами математичного моделювання на основі безпосередньо вимірюваних параметрів, яких даних, запозичених з літературних джерел, будувалася гідрогеохімічних модель зони окислення і області міграції продуктів окислення. Коректність побудови моделей та прийнятих параметрів визначалася порівнянням з даними, отриманими при випробуванні реальної зони окислення. За результатами моделювання виконувалися прогнози подальшого розвитку ситуації, які необхідні для вироблення рекомендацій щодо подальшої експлуатації родовищ підземних вод даного типу та освоєння нових ділянок, перспективних для водопостачання.

Склад і структура роботи. Робота складається з п'яти частин: 1. Опис гідрогеологічних особливостей Полдневского родовища. 2. Характеристика покривних відкладень, структури їх порового простору і закономірностей розподілу піриту. 3. Математична модель окислення піриту, перетворення і міграції продуктів окислення в покривних відкладах Полдневского родовища. 4. Оцінка інтенсивності окислення піриту і виносу продуктів окислення на різних типових розрізах в реальному діапазоні параметрів методами чисельного моделювання. Визначення лімітуючої стадії процесу. 5. Прогноз зміни хімічного складу води на діючих водозаборах (на прикладі Полдневского і Північно-Мазулінского водозаборів).

Наукова новизна. Створена комплексна модель окислення піриту в покривних відкладеннях з урахуванням перетворення і міграції продуктів реакції. У ході проведеного дослідження і в результаті моделювання отримано кілька нових висновків, що стосуються родовищ підземних вод, на яких в зоні аерації можуть виявитися пірітсодержащіе піщано-глинисті відклади зі звичайними концентраціями піриту (від 0,05 до 10 Кларків або 0,025-5 вагових відсотків):

Встановлено, що інтенсивність окислення піриту лімітується дифузійним перенесенням кисню вглиб товщі покривних відкладень, тому на погіршення якості підземних вод концентрація піриту практично не впливає (досить навіть 0,05 Кларка або 0,025% піриту).

Виявлено, що після тривалої експлуатації якість води на водозаборах не може бути відновлено за розумний період часу, навіть якщо припинити окислення піриту шляхом підвищення рівня підземних вод. Цьому перешкоджає значний період водообміну, характерний для даного типу родовищ (50-200 років). Час міграції забруднення до водозабірних свердловин від різних ділянок зони окислення коливається від перших років до сотні років, що пов'язано з різкою мінливістю потужності покривних відкладень.

Оцінено роль процесу гіпсообразованія в зоні окислення - як буфера, що перешкоджає катастрофічного погіршення якості води на питних водозаборах.

Встановлено, що при складуванні пірітсодержащіх глинистих порід на поверхні землі за кілька місяців може окислитися до 20% піриту, а для повного вимивання утворився гіпсу інфільтраційних потоком буде потрібно декілька сотень років.

Практична значимість. У роботі дано прогноз часу стабілізації і кінцевого хімічного складу підземних вод на Полдневском і Північно-Мазулінском водозаборах, які використовуються для господарсько-питного водопостачання міст Богданович та Каменськ-Уральський. Розроблено гідрогеохімічних модель окислення піриту і міграції продуктів окислення у водоносний горизонт. Показано, що припустиме пониження рівня підземних вод на родовищах даного типу має враховувати верхню межу поширення порід, що містять пірит. Рекомендовано застосування барражних свердловин, для захисту водозаборів від забруднення з боку кар'єрів і відвалів.

Результати досліджень використовувалися при переоцінці експлуатаційних запасів Полдневского, Богдановічского і Північно-Мазулінского родовищ підземних вод та проведення моніторингу на Троїцько-Байновском родовищі вогнетривких глин. На основі авторських рекомендацій у 2002 році була змінена схема Полдневского водозабору з використанням барражной свердловини між кар'єром і водозабором. Це дозволило істотно поліпшити якість відбирається води і довести його до питних кондицій по жорсткості (принаймні, на найближчі 10 - 20 років).

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були викладені в 6 публікаціях і 2 звітах з оцінки експлуатаційних запасів підземних вод для водопостачання м. Богданович, затверджених ТКЗ ДПР по Уральському регіону (2002, 2003), повідомлені на міжнародному конгресі ЕКВАТЕК 2002, на конференції   (С. Петербург, 2002), на Сергіївський читаннях (Москва, 2002, 2005), на Ломоносовський читаннях Геологічного факультету МДУ (Москва, 2005).

Диссертационная робота виконана під науковим керівництвом д.г.-м.н., професора А.В. Лехова, якому автор висловлює глибоку подяку за ради і всебічну допомогу. Автор також вдячний директору НПФ к.г.-м.н. А.Л. Фельдману за організацію польових робіт з вивчення зони окислення Полдневского родовища та директору ТЦ Уралгеомоніторінг к.г.-м.н. Л.С. Рибникова за консультації і допомогу у зборі фактичного матеріалу, а також д.г.-м.н., професору Р.С. Штенгелову за ряд цінних критичних зауважень. Велику допомогу у вивченні історії спільної експлуатації кар'єру глин і водозабору надав головний геолог Богдановічского ВАТ Г.І. Вольхін, якому автор дуже вдячний. Автор також вдячний провідному гідрогеолог НПФ Ю.А. Аристова за допомогу у проведенні випробування зони окислення.

Глава 1. Загальні відомості про Полдневском родовищі

В даній главі описуються гідрогеологічні особливості родовищ підземних вод в обмежених карбонатних структурах широко поширених на стику гірничо-складчастої Уралу і Західно-Сибірської низовини на прикладі типового Полдневского родовища. В геологічній будові району беруть участь комплекси порід, що належать двом структурним поверхах: нижній складний дислокованими породами палеозойського віку і належить Уральської геосинкліналі, верхній представлений мезо-кайнозойськими опадами і належить платформеному покрову Західно-Сибірської низовини. Палеозойський фундамент складний осадовими породами верхнедевонского і кам'яновугільного віку. Наявність значної кількості діз'юнктівних порушень обумовлює блочне будова палеозойського фундаменту. Відклади середнього карбону збереглися тільки в ядрах вторинних складок і в плані малюються у вигляді декількох витягнутих по меридіану вузьких смуг вапняків. На нерівній поверхні палеозойського фундаменту трансгресивний залягають континентальні і морські мезозойської-кайнозойські відклади потужністю в середньому 35-40 м.

Харчування водоносних комплексів відбувається шляхом інфільтрації атмосферних опадів, розвантаження в природних умовах до місцевої річкову мережу. В межах району в природних умовах розвинені прісні води з мінералізацією 0,2-0,8 г/л, по хімічним складом гідрокарбонатні кальцієві або кальцієво-магнієві. У процесі експлуатації водозаборів горизонтальне рух води відбувається в водоносному горизонті кам'яновугільних вапняків, високою водопроводімості. Покривні відкладення забезпечують регулювання нерівномірності інфільтраційного харчування завдяки високій ємності.

Полдневской водозабір розташований в межах Троїцько-Байновского родовища вогнетривких глин. Відпрацювання кар'єрів до березня 1957 велася без випереджального водозниження у вапняках. Полдневской дренажний водозабір з 1971 використовується для господарсько-питного водопостачання м. Богданович. За час експлуатації Полдневского водозабору та кар'єрного дренажу склад води з гідрокарбонатно став сульфатно-гідрокарбонатних, мінералізація зросла від 0,5 до 0,9 г/л і більше, переважно за рахунок сульфату від 15 до 60-180 мг/л і жорсткості (від 6-6,5 до 8-10 мг-екв/л) (рис. 1).

Аналіз показує, що депрессионная воронка має асиметрична будова і витягнута по простиранню смуги вапняків. З 1973 року, після збільшення водовідбору з 5-6 до 18-19 тис. м3/сут, відбулося різке зниження рівнів підземних вод від 25-26 м до 35-37м в 1977 році. З тих пір спостерігається коливання рівня в межах від 36 до 33 м, пов'язане з продуктивністю сумарного водовідбору і водністю періоду спостережень.

Загальна площа карбонатних порід у межах депресії 42 км2. Крім того, в формування експлуатаційних запасів даного родовища беруть участь площі теригенних порід, підземний і поверхневий стік з яких спрямований у бік депресії в карбонатних породах. Площа теригенних порід, що беруть участь в формування експлуатаційних запасів підземних вод Полдневского родовища, 16 км2. Загальна площа формування ресурсів 58 км2. Модуль підземного стоку теригенних порід для даного району складає 1.1 л/с/км2. Експлуатаційний модуль на площі вапняків становить 3.5 л/с з км2 і перевищує модуль загального стоку даної території в 1.2 рази. Це пояснюється тим, що поверхневий стік з території теригенних порід спрямований на площі розвитку вапняків, де він поглинається, забезпечуючи додаткове харчування підземних вод. У формуванні експлуатаційних запасів родовища Полдневского бере участь не тільки інфільтраційне харчування, а й залучається транзитний стік р. Бол. Калинівка (10 - 15% водовідбору).

Глава 2. Характеристика покривних відкладень Полдневского родовища

Погіршення якості підземних вод на Полдневском родовищі (як і на родовищах -- аналоги) відбувається в результаті формування зони окислення піриту, що міститься в покривних відкладах. Тому велике значення має вивчення закономірностей розподілу піриту і структури порового простору покривних відкладень. Остання визначає доступ кисню до зони окислення і міграцію продуктів окислення на покрівлю водоносного горизонту.

Методика вивчення покривних відкладень

Для вивчення покривних відкладень і сформованої в них зони окислення на площі Полдневского родовища було пробурено три свердловини з відбором керна: 7Н і 2г 'на покривні відкладення природного додавання, 6тн на породи внутрішнього відвалу в тілі рекультивованих кар'єра. Кожна проба поділялася на 2 частини 1) для визначення водно-фізичних властивостей і гранулометричного складу, 2) піддавалася квартованію, а потім поділялася на три частини для передачі в різні лабораторії. Свердловини після буріння обсаджували глухими трубами, крім невеликого інтервалу, де встановлювався фільтр. З свердловин 6тн і 7Н після прокачування були відібрані проби води з наступним хімічним аналізом.

Результати водно-фізичних і гранулометричних досліджень використовувалися при аналізі структури порового простору порід покривних відкладень. У ході хімічного аналізу, визначалися різні форми сірки, вуглецю, заліза. Загальний зміст сірки визначалося об'ємним методом з чутливістю 0.008% від сухої ваги породи. Мінералогічний напівкількісний аналіз виконувався з метою встановлення характерних розмірів зерен піриту та їх утримання в породі. Визначення мінералів виконувалося в класах часток крупності:> 0.05 мм; від 0.01 до 0.05 мм; <0.01 мм. Для оцінки перетворення продуктів окислення піриту в покривних відкладах виконувався аналіз водних витяжок відповідно до ГОСТ 26423-85 (423-428).

Структура порового простору покривних відкладень

Покривні відкладення в межах Полдневского родовища підземних вод (як і на родовищах - аналоги) представлені товщею перешаровуються піщано-глинистих відкладень. Переважають глини, суглинки і супіски. Рідкісні піщані прошаруй представлені глинистими пісками. Глинисті покривні відкладення характеризуються яскраво вираженою гетерогенність порового простору. Для схематизації міграційної середовища покривних відкладів, всю пористість доцільно розбити на три типи: 1) Відповідна гравітаційної Водовіддача, забезпечує конвективний перенесення речовини в зоні повного Водонасичення і заповнена повітрям в зоні аерації. 2) Відповідна максимальної молекулярної вологоємності, бере участь в дифузійному перенесення. 3) Закрита або ізольована - характеризує обсяг ізольованих пір, які не можуть брати участь ні в конвективної, ні в дифузійному масопереносу.

За результатами проведених досліджень на Полдневском родовищі загальна пористість становить у середньому 0,39 (від 0,30 до 0,53), з них близько 0,03 (від 0,00 до 0,14) є для конвективного перенесення і 0,20 (від 0,10 до 0,31) -- для дифузійного, а 0,16 (від 0,12 до 0,21) припадає на закриту пористість.

Пірит в покривних відкладах Полдневского родовища

За результатами хімічного аналізу фіксується повна відсутність сірки (і сульфідної і сульфатної) у верхніх частинах розрізу. Навіть нижче природних відміток рівня підземних вод сульфіди до деякої глибини також можуть відображатися в зв'язку з формуванням зони окислення кисневих вод. У середньому на Полдневском родовищі бессульфідная зона, сформована за тривалий геологічний час, має потужність 10-15 м від поверхні землі. Виключення складає тіло внутрішнього відвалу (свердловина 6тн), де в процесі отвалообразованія на поверхні землі опинилися пірітосодержащіе породи.

Вивчення розподілу зерен піриту по класах різної крупності виконувалося мінералогічним напівкількісний аналізом. Первинний пірит, що утворився при бактеріальної редукції морського сульфату (ранній діагенез), спостерігається переважно у вигляді тонкозернистий вкрапленнями (0.005-0.02 мм). Пірит, перевідкладеного при пізньому діагенезе, характеризуються крупнозернистою вкрапленнями з розміром зерен 0.1-0.2 мм. Псевдоморфози піриту по органічним залишкам або зростки з іншими мінералами можуть мати розміри близько 1 мм і більше. Таким чином, зерна й агрегати піриту групуються в три групи з характерними розмірами, що дало можливість розрахунку площі поверхні піриту в одиничному обсязі породи - параметра швидкості окислення піриту. Питома площа поверхні піриту (S, м2/м3) змінюється в досить широкому діапазоні: від 2 до 12000 м2/м3, прямо пропорційна його змісту в породі (N, моль/м3): S = 13N.

Глава 3. Окислення піриту в зоні аерації

Кінетика реакції окислення піриту

Кінетика окислення піриту вивчалася багатьма авторами (Apello, Postma, 1996; Nicholson, Gilham, Reardon, 1988, 1990; Arkesteyn, 1980; McKibben, Barnes, 1986; Wehrli, 1990; Акінфієв та ін, 2001; Peiffer, Stubert, 1999).

Покривні відклади характеризуються нейтральною реакцією середовища, яка може підтримуватися тривалий час і в процесі окислення піриту, що пов'язано з наявністю карбонатної складової порід.

Кінетика окислення піриту в буферізірованном карбонатом розчині досліджувалася в лабораторних умовах (Nicholson, Gilham, Reardon, 1988). У нейтральному середовищі пірит окислюється виключно киснем, оскільки концентрація тривалентного заліза мізерно мала в результаті випадання в осад гідроксиду. Швидкість окислення виявилася прямо пропорційна площі поверхні піриту і концентрації молекул кисню адсорбованих на ній.

Експерименти тривалістю близько 13 місяців (Nicholson, Gilham, Reardon, 1990) показали сильне зменшення швидкості окислення піриту з часом, пов'язане з утворенням на його поверхні інгібуючої плівки представленої в основному лепідокрокітом (