Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Глава 1. Гидрогеохимический каротаж
Предпосылки и история создания метода 11
Датчики и принципы измерения 24
Гидрогеохимический зонд 40
Особенности проведения гидрогеохимических каротажных исследований .... 46
Устранение влияния геоэлектрических помех на потенциометрические измерения в скважинах 54
Проверка достоверности измерений in situ 73
Глава 2. Искажение свойств подземных вод под влиянием различных факторов 79
Гидродинамические процессы в наблюдательных скважинах 79
Коррозия и инкрустация стальных обсадных труб 101
Погрешности, связанные с применением традиционных методов гидрогеохимического опробования скважин 121
Глава 3. Геохимия природных и загрязненных подземных вод в районе поверхне- , ~~
стного хранилища жидких радиоактивных отходов (оз.Карачай)
Краткая гидрогеологическая характеристика исследуемой территории 133
Среда транспорта подземных вод 135
Современное состояние природных подземных вод в гипергенно измененных метавулканитах основного состава 140
Характеристика источника загрязнения подземных вод 150
Формирование химического состава и структура потока загрязненных подземных вод І53
Глава 4. Процессы естественной нейтрализации и деминерализации остаточ
ных сернокислых растворов подземного выщелачивания (ПВ) урана \ 73
Геоэкологические аспекты ПВ урана из руд пластовых инфильтрационных месторождений 173
Формирование химического состава остаточных растворов и техногенное 177 изменение литологической среды
Нейтрализация и деминерализация остаточных растворов в рудоносных го- 202 ризонтах различных литогенетических типов
Заключение 241
Литература 258
Приложения 271
Введение к работе
Актуальность проблемы. Гидрогеохимия изучает процессы формирования химического состава и физико-химических свойств подземных вод, миграцию и концентрирование вещества в гидролитосфере, где подземные воды находятся в термодинамических условиях отличающихся от этих условий на поверхности Земли. С увеличением глубины залегания подземных вод возрастают Р и Т, окислительная обстановка сменяется восстановительной, увеличивается соленость и газонасыщенность вод. Совершенно очевидно, что для получения истинных характеристик гидрогеохимической среды необходимо изучать ее свойства на месте залегания в реальной P-T-Eh обстановке водоносных горизонтов. Тем не менее, представления о современном состоянии подземных вод и их химическом составе в основном базируются на измерениях, выполненных в лаборатории. По-прежнему редко используются полевые методы химического анализа воды для определения концентраций неконсервативных компонентов и измерения рН и Eh в потенциометрических ячейках непосредственно у опробуемых скважин. Измерения же неустойчивых параметров гидрогеохимической среды в водоносных горизонтах (in situ) методом дистанционного зондирования еще более редкое явление. Об этом свидетельствуют единичные публикации по этой тематике отечественных и зарубежных исследователей за длительный период совершенствования метода гидрогеохимического опробования скважин (Т.П.Попова, В.С.Росляков, Н.Ф.Щипунов, 1967; B.Bolviken, O.Logn, A.Breen, O.Uddu, 1972; Е.Г.Ларионов, Н.М.Николаева, А.В.Пирожков, 1977; А.В.Зотов, В.А.Приходько, Е.Г.Шеймин, 1981; DJ.Bottomley, J.D.Ross, B.W.Graham, 1984; H.Rohler, 1997).
Традиционные методы гидрогеохимического опробования, основанные на отборе проб воды пробоотборниками различной конструкции или из фонтанирующих, насосных и специально прокачиваемых скважин, дают преимущественно искаженное представление о химическом составе и, как правило, смещенные физико-химические характеристики (рН и Eh) подземных вод. Степень этого искажения тем значительнее, чем существеннее отличаются P-T-Eh условия в исследуемом водоносном горизонте от этих условий на поверхности Земли. Эти искажения могут приводить к ошибкам разного порядка при решении различных научных и практических задач методами гидрогеохимии.
Опробование подземных вод с помощью пробоотборников также не обеспечивает требуемой детальности исследования разрезов водоносных горизонтов, особенно, в зонах геохимических барьеров и при изучении распространения загрязненных подземных вод в водоносных породах с высокой фильтрационной и геохимической неоднородностью.
Искажение свойств подземных вод вызывают: особенности конструкции скважин, материал обсадных труб, химические и гидродинамические процессы, протекающие во внутрискважинном пространстве. Но из-за отсутствия методов детального изучения свойств воды по глубине скважин, количественные характеристики этих процессов изучены не достаточно.
Иными словами уже давно назрела необходимость в создании метода, позволяющего измерять свойства и состав подземных вод непосредственно в водоносных горизонтах. Такой метод создан автором диссертации при участии сотрудников ИГЕМ и Научно-производственного центра (НПЦ) «ПАЛС» и получил название «гидрогеохимический каротаж (ГХК)».
Идея работы заключается в создании высоко экспрессного метода, позволяющего с высокой детальностью получать достоверные сведения об основных физических и химических параметрах гидрогеохимической среды в реальных термобарических и окислительно-восстановительных условиях водоносных горизонтов.
Цель работы: создание научно-методических основ проведения и интерпретации гидрогеохимических каротажных исследований и их применения в комплексе с традиционными методами для изучения процессов формирования химического состава подземных вод, миграции и концентрирования вещества в водоносных горизонтах слоистых осадочных толщ и трещиноватых массивов кристаллических пород.
Задачи исследований:
1. Создание методологии гидрогеохимических каротажных исследований:
анализ истории создания и современного состояния средств и методов скважинных гидрогеохимических исследований;
анализ причин низкой достоверности традиционных методов гидрогеохимического опробования скважин и выбор на его основе параметров гидрогеохимической среды, которые необходимо измерять in situ;
разработка методики проведения и интерпретации ГХК исследований;
выяснение причин и природы геоэлектрических помех при скважинных гидрогеохимических потенциометрических измерениях активностей ионов и окислительного потенциала, разработка методов их обнаружения и подавления;
обоснование принципов проверки достоверности измерения рН, Eh, концентрации летучих и нелетучих компонентов в скважинах;
количественная оценка искажения свойств подземных вод под влиянием гидродинамических и химических процессов во внутрискважинном пространстве;
количественная оценка степени искажения свойств подземных вод при использовании традиционных методов гидрогеохимического опробования скважин.
2. Изучение методом ГХК закономерностей формирования химического состава
подземных вод, миграции вещества и его концентрирования на геохимических барьерах:
изучение геохимии природных и техногенных подземных вод и факторов задержки радионуклидов в разной степени гипергенно измененных метавулканитах основного состава;
изучение природной, техногенной и посттехногенной гидрогеохимической обстановки в водоносных рудоносных горизонтах при освоении пластовых инфильтрационных месторождений урана методом подземного выщелачивания (ПВ);
- изучение формирования химического состава остаточных сернокислых растворов ПВ и процессов их естественной нейтрализации и деминерализации.
Объекты и методы исследований (фактический материал). Метод и аппаратура ГХК апробированы под руководством и непосредственном участии автора в разнообразных геотехнических и гидрогеологических условиях в ходе мониторинга подземных вод в районе скважинных водозаборов (Тверская обл.; г.Юба-Сити в Сев. Калифорнии), при исследовании надежности функционирования гидравлического барьера, препятствующего проникновению морских вод в водоносные горизонты в прибрежной части Тихого океана (г.Лонг-Бич, США), в нефтедобывающих скважинах на месторождениях Самарского Поволожья, при мониторинге подземных вод, подвергшихся селеновому загрязнению в долине Сан-Хоакин (Центр. Калифорния), при изучении гидрогеохимии пластовых инфильтрационных месторождений урана Бешкак, Северный и Южный Букинай, Канжуган и их освоения методом ПВ (Узбекистан; Южн. Казахстан), на полигонах подземного захоронения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) (Томская обл.), при изучении взаимодействия ЖРО с трещиноватыми кристаллическими породами в районе оз.Карачай (Челябинская, обл.).
Всего за период с 1979 по 2001 год ГХК исследования проведены в 151 скважине, а их общий метраж составил 44 пог.км. Измерения Т, Р, удельной электропроводности (Е), рН, Eh, концентрации растворенных газов (Ог, H2S) и активностей ионов (Na+, NH/, Са2+, N03~) выполнены в скважинах различной конструкции глубиной от 6 до 1865 м, в температурном диапазоне 6 - 42 С и Р<150 атм.
Поставленные задачи решались в большинстве случаев методом натурных экспериментов и прямого наблюдения за природными и техногенными геохимическими процессами в водоносных горизонтах, которые дополнялись лабораторными экспериментами, а результаты исследований обрабатывались методами компьютерного физико-химического моделирования с использованием программ «EQ3/6», «Анализ» и «HCh». На большинстве объектов исследовались все элементы геологической среды: горные породы, подземные воды, растворенные газы и естественная подземная микрофлора. Для этого привлекались как классические, так и современные методы анализа вещества. Аналитические исследования выполнены в лабораториях ИГЕМ, ГЕОХИ, ЛОМЭ ВСЕГИНГЕО и ВИМС.
Фактологической основой диссертации являются результаты 20-летних исследований автора и руководимого им коллектива специалистов Сектора гидрогеохимических проблем радиогеологии ИГЕМ.
Основные научные положения, защищаемые автором:
1. Научно обоснована и создана комплексная методика проведения автоматизированного гидрогеохимического каротажа, позволяющая с высокой степенью детальности достоверно регистрировать близкие к истинным значения физико-химических парамет-
ров (Е, рН, Eh) подземных вод, содержание нелетучих (Na+, NbL»+, №)з~) и летучих компонентов (Ог, HbS) в исследуемых водоносных горизонтах..
2. Применение гидрогеохимического каротажа впервые в отечественной и зарубежной практике позволило установить, изучить сущность и устранить искажения свойств подземных вод, возникающие в зонах фильтров наблюдательных скважин под влиянием нисходящей конвекции конденсационной метеорной влаги, коррозии и инкрустации стальных обсадных труб, а также при извлечении воды из скважин на поверхность.
Под влиянием радиоактивности щелочная природная обстановка изменяется на слабокислую при взаимодействии техногенных щелочных нитратно-натриевых с ацетатом и оксалатом жидких радиоактивных отходов с метавулканитами основного состава. Этот процесс сопровождается образованием аномально высоких концентраций СОг и Ог, которые вызывают техногенную глинизацию, карбонатизацию и образование гидро-ксидов Fe(III). Комплекс новообразованных минералов является главным фактором задержки миграции наиболее экологически опасных радионуклидов.
Ореолы остаточных кислых (рН 1.3-2.2) S04/Fe-Al-Mg соленых и рассольных вод, возникших при добыче урана способом подземного выщелачивания, в результате длительного (десятки лет) их нахождения в естественной гидродинамической обстановке водоносных горизонтов самопроизвольно очищаются от большинства техногенных, пет-рогенных и рудогенных загрязнителей, вследствие чего по Е, рН, Eh и содержанию NO3 и
NHU они приближаются к природному гидрогеохимическому фону.
,>
Достоверность научных положений. Существенная часть работы посвящена оценке достоверности гидрогеохимических методов исследования. Она выполнена сопоставлением результатов измерений in situ с теоретическими количественными оценками и экспериментальной проверкой в лабораторных и натурных условиях. Гидрогеохимический зонд - аппаратурная основа метода ГХК - прошел поверку в Поволжском метрологическом центре (г.Самара) и государственные метрологические испытания во ВНИИОФИ, на основании которых Госстандартом России выдан сертификат о внесении прибора в госреестр измерительных средств и о его допущении к использованию на территории РФ. Вся нестандартная и стандартная аппаратура, используемая для тестирования приборов и градуировки датчиков, прошла метрологическую аттестацию в Госстандарте России.
Научная новизна работы:
Созданы научно-методические основы проведения и интерпретации ГХК применительно к разнообразным природным и техногенным гидрогеологическим объектам.
Впервые на исследуемых объектах измерены рН, Eh, концентрации растворенных газов (Ог, H2S) и активности ионов (Na+, NH/, Са2+, Ж>з~) в реальных Р-Т-Eh условиях водоносных горизонтов при температуре 6-42 С и Р до 30-150 атм.
Впервые выявлена геоэлектрическая природа помех при скважинных гидрогеохимических потенциометрических измерениях, дана их количественная оценка и предложен способ устранения их влияния методом совмещения измерительных и вспомогательного электродов в точке.
Впервые количественно оценена степень искажения свойств подземных вод под влиянием гидродинамических и химических процессов во внутрискважинном пространстве и при применении традиционных методов гидрогеохимического опробования скважин.
Измерениями in situ подтверждена ранее установленная закономерность зависимости формирования химических свойств подземных вод от интенсивности водообмена при современном формировании элювия в массиве трещиноватых андезитобазальтовых метавулканитов. При этом впервые этот процесс исследован по изменению концентрации кислорода, проникающего в эти породы с инфильтрационными водами.
Впервые изучено формирование химического состава и физико-химических свойств загрязненных подземных вод при взаимодействии радиоактивных нитратно-натриевых растворов с трещиноватыми метавулканитами основного состава. Исследована in situ природная pH-Eh зональность и ее техногенное изменение.
Впервые установлено, что защитных геохимических свойств в рудоносных водоносных горизонтах на молодых пластовых инфильтрационных месторождениях урана достаточно для естественной нейтрализации и деминерализации остаточных сернокислых растворов, возникающих в водоносных горизонтах после завершения сернокислотного ПВ.
Личный вклад автора. Результаты исследований, приводимых в диссертации, выполнены автором лично или под его научно-методическим руководством. Основной объем материалов собран, проанализирован и обобщен автором лично.
Практическая значимость и реализация результатов работы. ГХК на
протяжении 10 лет в качестве одного из методов используется для мониторинга подземных вод в пределах санитарно-защитной зоны Производственного объединения (ПО) «Маяк» в Челябинской области, где расположены поверхностные хранилища ЖРО. Метод внедряется в практику геофизических и гидрогеологических исследований на объектах ПВ урана из руд пластовых инфильтрационных месторождений, эксплуатируемых Национальной атомной компанией (НАК) «Казатомпром» (Республика Казахстан).
Научное значение работы состоит в создании нового научного направления в геохимии подземных вод - изучение формирования свойств и состава подземных вод непосредственно в водоносных горизонтах, раскрывающего новые возможности исследования этих процессов. Развитие этого направления существенно повысит
достоверность гидрогеохимических исследований при решении разнообразных фундаментальных и прикладных проблем.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Ш-ей Всесоюзной конференции по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых «Проблемы геотехнологии» (Люберцы, 1983), на Координационном совете по подземному выщелачиванию месторождений твердых полезных ископаемых МИНГЕО СССР (п. Зеленый, ВСЕГИНГЕО, 1985), на 5-й Международной конференции «Геохимические пути миграции радионуклидов в биосфере» (ГЕОХИ, г.Пущино, 1991), на Всероссийской конференции «Экологический мониторинг в условиях радиационного и химического загрязнения окружающей среды» (г.Челябинск, 1993), на 5-й и 7-й международных конференциях «Radwaste management and environmental remediation» в Берлине (1995) и Сингапуре (1997), на Международном симпозиуме по прикладной геохимии (ИМГРЭ, г.Москва, октябрь 1997), на научных конференциях ИГЕМ (1997, 1999), на годовом совещании в Американском институте гидрологии «Hydrologic issue for the 21st Century: ecology, environmental and health» (г.Сан-Франциско, США, ноябрь 1999), на 2-м семинаре НКК МНТЦ «Реабилитация больших территорий» (г.Снежинск, 1999), на конференции «Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики» (С-Петербург, февраль 2002), на совещании «Подземное и кучное выщелачивание урана, золота и других металлов, современное состояние» (г.Москва, ВНИИХТ, ноябрь 2002).
По теме диссертации опубликовано 39 работ, в том числе две монографии в соавторстве.
Содержание диссертаиии.
В первой главе изложены предпосылки и история создания метода ГХК, изложены: принципы и методы измерения основных параметров подземных вод, гидрогеохимический зонд и особенности проведения гидрогеохимических каротажных исследований, результаты экспериментальной оценки влияния геоэлектрических полей на скважинные гидрогеохимические потенциометрические измерения, принципы и результаты проверки достоверности измерений in situ, общие вопросы методологии.
Во второй главе приведены результаты количественной оценки искажения свойств подземных вод под влиянием гидродинамических и химических процессов в скважинах. Дана оценка степени искажения химических свойств воды на всех стадиях традиционного гидрогеохимического опробования скважин.
Третья глава посвящена исследованию формирования химического состава и свойств подземных природных и техногенных вод при их взаимодействии с трещиноватыми метавулканитами основного состава в районе озера Карачай. Приводятся сведения о региональной гидрогеологической позиции объекта исследований и о среде транспорта подземных вод. Рассматриваются вопросы воздействия радиоактивности на систему загрязненные воды - порода.
В четвертой главе рассматриваются возможности ГХК для исследования гидрогеохимии подземных природных и техногенных вод на всех стадиях освоения молодых пластовых инфильтрационных месторождений урана скважинным подземным выщелачиванием. Особое внимание уделено исследованию естественной нейтрализации и деминерализации остаточных сернокислых растворов.
Благодарности. Автор считает приятным долгом выразить особую благодарность своим учителям: И.С.Осмоловскому, М.И.Фазлудлину, А.К.Лисицину за поддержку, внимание и сотрудничество при выполнении настоящей работы на различных стадиях ее подготовки. Автор глубоко признателен акад. Н.П.Лаверову и чл.-корр В.И.Величкину за постоянную, всестороннюю помощь при создании нового метода гидрогеохимических исследований. При выполнении работы автор пользовался консультациями и советами Г.А.Волкова, Р.П.Рафальского, А.В.Зотова, О.И.Зеленовой, И.А.Кондратьевой, И.Л.Ходаковского, Е.Г.Осадчего, А.А.Пэка, В.И.Мальковского, Н.Н.Акинфиева, Дж.А.Аппса. Автор признателен коллективу НПЦ «ПАЛС» во главе с М.Г.Рубцовым и В.Я.Купером за многолетнее плодотворное сотрудничество при создании аппаратурной основы метода ГХК. Автор особенно благодарен В.В.Новосельцеву, ВЛ.Фарберу, В.П.Савинову, Е.Г.Дрожко, А.В.Глаголеву, Е.Петриченко, А.В.Скокову, А.А.Зубкову, В.Л.Забазнову за предоставленные для исследований опытные скважины и помощь в проведении натурных исследований. Отдельно выражаю признательность коллегам по работе, без участия которых в полевых экспериментальных работах данное исследование было бы невозможно, - А.М.Кирееву, Л.С.Шулик, Н.И.Ганиной, Г.А.Шугиной, М.В.Нестеровой, А.Д.Хотееву, М.Б.Черток, В.А.Задворнову, Д.И.Кринову, Н.Н.Жданову и В.В.Кондратьеву.
