Содержание к диссертации
Сяр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ИСТОРИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ХЛОРИДНЫХ ВОД И РАССОЛОВ КРЙВБАССА И РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ИХ ГЕНЕЗИСЕ II
ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ КРЙВБАССА 25
3.1. Стратиграфия и некоторые особенности
минералогии докембрийских пород
Кривбасса 29
Геологическое строение пород кайнозойского осадочного покрова . 5^
Особенности тектонического строения
Кривбасса ^
3.4. История геологического развития
Кривбасса , 45
4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ КРИВБАССА 59
Водоносность пород криворожской серии 59
Гидрогеохимическая зональность
Кривбасса 62
4.3. О влиянии шахтного водоотлива на
гидрогеологические условия Кривбасса 64
5. ХИМИЧЕСКИЙ И ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВЫ ПОДЗЕМНЫХ ХЛОРИДНЫХ
РАССОЛОВ КРИВБАССА 72
Исходные гидрогеохимические данные 73
Особенности химического состава подземных хлорицных рассолов Кривбасса 81
Хлор и натрий в подземных хлоридных рассолах Кривбасса 92
Сульфат-ион в подземных хлоридных
водах Кривбасса -94
5.2.2.1. Особенности распределения
концентраций сульфат-иона в
подземных водах Кривбасса 94
Стр.
5.2.2.2. Изотопный состав сульфатной серы
подземных рассолов Кривбасса 106
5.2.3. Кальций и магний в подземных
хлоридных водах Кривбасса Ш
5.2.4. Стронций в подземных хлоридных
водах Кривбасса 126
5.2.5. Калий и рубидий в подземных
хлоридных водах Кривбасса 129
5.2.6. Ион аммония в подземных хлоридных
водах Кривбасса 132
5.2.7. Бром и йод в подземных водах
Кривбасса 135
5.2.8. Основные особенности формирования
концентраций компонентов химического
состава подземных хлоридных вод
Кривбасса 138
Изотопный /дейтерий, кисдород-18/ состав подземных хлоридных вод Кривбасса 139
О гелиеносности подземных рассолов
Кривбасса 151
6. ГЕНЕЗИС ПОДЗЕМНЫХ ХЛОРИДНЫХ РАССОЛОВ КРИВБАССА 158
6.1. Вероятные пути поступления рассолов
в недра Кривбасса 164
6.1.1. Палеогеографические предпосылки
образования подземных рассолов
Кривбасса 164
6.1.2. Неотектонические движения и их
отражение в структуре гидрогео
химического поля юго-восточной
части УКЩ 170
6.2« О возможности притока подземных рассолов
в недра Кривбасса из-за его пределов 177
Анализ региональной гидрогеодинамики ... 178
Анализ баланса хлоридных рассолов Кривбасса 191
Стр. 6.3.Гидрогеохимические показатели генезиса
подземных рассолов Кривбасса 203
6.4.Спорово-пыльцевой состав подземных
рассолов Кривбасса 218
б#4.1. Предварительная характеристика
исходных палинологических данных 218
6.4.2. Спорово-пыльцевые комплексы подземных
вод и минерального вещества 219
О вероятных источниках поступления микрофитофоссилий е подземные воды 230
О природе подземных рассолов КриЕбасса по данным изучения содержащихся в них микрофитофоссилий 233
б.5.Происхождение подземных рассолов Кривбасса /ос
новные итоги исследования/ 236
ПРОГНОЗ МАКСИМАЛЬНОЙ ЮШЕРАЛЙЗАЦЙИ ПОДЗЕШЫХ РАССОЛОВ КРИВБАССА ПРИ РАЗВИТИИ ВЫРАБОТОК НА ГЛУБИНУ 238
О НАПРАВЛЕНИИ ДАЛЬНЕЙШЕГО ИЗУЧЕНИЯ ПОДЗЕШЫХ
РАССОЛОВ КРИВБАССА 245
9.'ВЫВОДЫ 247
10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 248
Литература опубликованная в 251
Литература неопубликованная 268
Введение к работе
Подземные хлоридные воды и рассолы распространены в природе чрезвычайно широко. Они обнаружены в недрах Европейской части СССР почти повсеместно. Наименее изученными из них в настоящее время являются подземные рассолы кристаллических щитов: украинского, Балтийского и Воронежской антеклизы.
Автор настоящей работы занимается изучением геохимии хлоридных подземных вод и рассолов кристаллических щитов с 1976 г. Результаты исследований изложены в соответствующих разделых четырех отчетов о научно-исследовательской работе: I/ "Изучение происхождения рассолов и соленых вод кристаллических щитов Европейской части СССР в целях развития теории формирования подземных вод" /Отчет по теме 757-75/» ВСЕГЙНГЕО, пос.Зеленый, 1979; 2/ "Изучение гидрохимических и гидродинамических условий Криворожского бассейна путем опробования водоносной толщи плас-тоиспытателем" /Отчет по теме І90-76Д/, ВСЕГЙНГЕО, пос.Зеленый, 1980; 3/ "Гидрогеологические исследования и прогнозы в целях обоснования рационального использования подземных вод при эксплуатации железорудных месторождений и водозаборов региона КМА" /Отчет по теме 23І-78Д/, ВСЕГЙНГЕО, пос.Зеленый, 1980; 4/ "Изучение условий формирования и прогноз водопритоков в горные выработки при отработке глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых в Белгородском районе КМА с определением их влияния на общие ресурсы подземных вод и возможные изменения других природных условий" /Отчет по теме 236-79Д/, ВСЕГЙНГЕО, пос.Зеленый, 1981. Наиболее детально автором изучены условия формирования химического состава подземных хлоридных вод Криворожского железорудного бассейна /Кривбасса/, по результатам которого написана данная диссертация.
Актуальность работы. Кривбасе является главной рудной базой черной металлургии отраны. На долю его горнорудных предприятий приходится около половины общего объема железных руд, добываемых в СССР. Наиболее ценные из них, не требующие обогащения, добываются в шахтах, глубина которых превысила I км. Шахтами вскрыты хлоридные рассолы о минерализацией до 143 г/л. Рассолы, являясь частью общешахтных водопритоков, определяют повышенную минерализацию шахтных вод, которая оказывает влияние на технологию горных работ, удорожая, в частности, стоимость добываемой руды, а минерализованные шахтные стоки, среднегодо-
вой объем которых превышает 30 млн.м , представляют собой один из значительных факторов загрязнения окружающей среды. В перспективе предстоит углубление шахт до 1,5-2 км, в связи с чем существует необходимость прогноза максимальной минерализации подземных рассолов на глубину. Решение этой задачи путем непосредственного отбора проб воды из глубоких разведочных скважин связано с большими техническими трудностями, а применение иных, косвенных методов, серьезно осложнено нерешенностью проблемы генезиса подземных рассолов Кривбасса.
Наличие хлоридных рассолов в недрах Кривбасса не является исключительным явлением для кристаллических щитов Европейской части территории СССР. Высокоминерализованные хлоридные воды и рассолы вскрыты в их пределах десятками скважин и горными выработками, в частности они обнаружены в недрах Балтийского щита /Кольский полуостров, Карельский перешеек/, в недрах северного и южного склонов украинского кристаллического щита /УКЩ/ /Кременчугское и Южно-Еелозерское месторождения/; соленые хлоридные воды - в районе Висловского месторождения железных руд /Курская магнитная аномалия/. Происхождение их также является предметом
?
оживлённой дискуссии. Рассолы Кривбасса по сравнению с другими проявлениями подземных хлоридных вод и рассолов в недрах кристаллических щитов в настоящее время наиболее доступны для исследования, так как вскрываются многочисленными горными выработками на глубинах от 0,3 до 2 км и более. Это способствует получению многообразной информации, представляющей интерес для познания природы подземных хлоридных рассолов кристаллических щитов. Таким образом, изучение геохимии -и генезиса подземных рассолов Кривбасса имеет важное практическое и познавательное значение. Этим определяется актуальность данного исследования.
Цель работы заключается в изучении геохимических особенностей и происхождения хлоридных подземных вод Кривбасса, выявления закономерностей распределения концентраций компонентов - хими«* ческого состава и прогнозе на этой основе минерализации рассолов на глубину*
Методика исследований. Использован широкий комплекс методологически различающихся методов: структурно-геологический, ис-торико-геологический, гидрогеохимический, изотопный, физической кинетики, водно-балансовый, водно-палинологический, региональной гидрогеодинамики. В основу фактической информации положен оригинальный материал* полученный автором в ходе исследований в Крив-бассе, связанных с тематикой института ВСЕГИНГЕО, с Ї976-І980 гг. Привлечены также многочисленные литературные и неопубликованные данные, хранящиеся во Всесоюзном геологическом фонде и фонде Криворожской геолого-разведочной экспедиции /Кривбассгеологии/.
Научная новизна работы заключается в следующем: I. Впервые для решения проблемы генезиса хлоридных подземных рассолов Кривбасса использован наиболее широкий для региона
комплекс методологически различающихся метотов: структурно-геологический, историко-геологический» гидрогеохимический, ИЗОТОПНЫЙ, физической кинетики,, водно-палинологический, водно-балансовый, региональной гидрогеодинамики,
Изучены особенности структуры техногенного поля хлорид-ных рассолов Кривбасса по макро- и микрокомпонентам химического их состава, изотопам воды и сульфатной серы;реконструировано естественное гидрогеохимическое поле хлоридных ионов. Впервые изучен изотопный состав сульфатной серы рассолов и состав растворённого в них органического вещества. Получены новые данные по спорово-пыльцевому составу рассолов и песчано-глинистых заполнителей трещин рассоловмещающих пород, изотопному составу воды /дейтерий, кислород-18/, содержанию растворённого гелия.
Установлено, что естественное распределение концентраций хлоридных ионов в вертикальном разрезе зоны рассолов Кривбасса отражает процесс диффузионного их рассоления* Оценена продолжи^ тельность процесса формирования диффузионной зоны и по этой оценке определено вероятное время пребывания рассолов в недрах Кривбасса на глубинах до 1000 м. Оно не превышает длительности четвертичного периода. Эта оценка времени пребывания рассолов подтверждается - по порядку величины - данными палинологического изучения, рассолов,
По оценке баланса водопритоков в шахту "Южная" /рудник им. Ильича/, горный отвод которой гидравлически изолирован по отношению к горным отводам других рудников бассейна, установлено, что объём сдренированных за последние 10 лет рассолов превышает -- в первом приближении - в три раза вероятные их геологические запасы. Это указывает на вероятный приток рассолов в этом районе Кривбасса из-за пределов Криворожского синклинория.
Произведён прогноз изменения минерализации рассолов Кривбасса до глубины 2 км в связи с планируемым увеличением глубины шахт до 1,5-2 км.
Проанализированы все известные в литературе гипотезы происхождения рассолов Кривбасса и их соответствие имеющейся в настоящее время информации и установлено, что данным гидрогеологического, историко-геологического, геохимического, водно-палинологического и физико-кинетического изучения рассолов Кривбасса и обстановке их нахождения в наибольшей мере соответствует гипотеза о миграции рассолов в Криворожский синклинорий из Днепровс-ко-Донецкой впадины в четвертичноев время.
Практическое значение работы» Работа имеет научно-методологическое значение. Она показывает плодотворность и пути целенаправленного использования при решении сложных проблем региональной гидрогеологии комплекса методологически различающихся научно-исследовательских методов. Прогноз, максимальной солёности рассолов на наибольших глубинах предполагаемого заложения шахт может быть использован при проектировании шахтных сооружений, в выборе оборудования и технических средств для добычи руд на больших глубинах и оптимальных способов утилизации минерализованных шахтных стоков. Новую информацию о природе подземных рассолов Кривбасса, содержащуюся в диссертации, целесообразно учесть при составлении программы гидрогеологического опробования Криворожской сверхглубокой скважины.
Реализация работы. Результаты исследований реализованы в Криворожской геолого-разведочной экспедиции ПГО "Южукргеология" при разведке и оценке запасов железных руд в Кривбасса, утверждённых в ГКЗ.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на ХХУІІ сессии Всесоюзного палеонтологическо-
го общества /Ленинград, 1981/, на Всесоюзном симпозиуме по применению стабильных изотопов в гидрогеологии /Таллин, Ї98І/ и на семинаре лаборатории гидрогеохимии ВСЕГИНГЕО /пос. Зелёный,1983/,
Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в б статьях.
Защищаемые положения. Основной химический и изотопный состав подземных хлоридных натриевых рассолов Кривбасса генетически чужд вмещающим их породам; наличие кальциевой и магниевой разновидностей этих рассолов указывает на взаимодействие их с вмещающими породами, 2. Хлоридаые рассолы Кривбасса генетически связаны с подземными рассолами Днепровско-Донецкой впадины; поступление последних в Криворожский синклинорий происходило в четвертичное время, 3, Максимальная минерализация подземных рассолов Кривбасса на глубинах до 2 км не превышает 160-170 г/л.
На всех этапах работы научное руководство осуществлялось доктором геолого-минералогических наук СЙ.Смирновнм. В обсуждении работы или отдельных её разделов приняли участие доктор геолого-минералогических наук С.Р.Крайнов и кандидат геолого-минералогических наук М,С,Галицын, При изучении состава микрофито-фоссилий, как показателя генезиса подземных рассолов Кривбасса, автору оказана большая помощь ст. инженером-палинологом Е.А.Кла-довщиковой, которая выполнила все палинологические определения. Автор пользовался также материалами Е.А.Кладовщиковой, полученными до начала совместных работ, и многочисленными её консультациями. В ходе полевых исследований автор опирался на благожелательное отношение со стороны руководства и сотрудников Кривбасс-геологии А.М.Богачик, Т.Н,Кульковой, В.Е.Морховой и др. Всем им автор выражает благодарность.
2. ИСТОРИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ _ ПОДЗЕМНЫХ ХЛОРИДНЫХ ВОД И РАССОЛОВ КРЙВБАССА И РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ
ИХ ГЕНЕЗИСЕ
Интерес н вопросам, связанным с особенностями химического состава подземных вод Кривбасса, появился давно и возрастал по мере появления проблем, выдвигаемых практикой горных работ. При этом высокоминерализованныв хлоридныв воды привлекали наибольшее внимание исследователей. О происхождении их высказаны многообразные точки зрения, для обоснования которых привлекались те или иные факты геологической истории региона и представления о геохимических особенностях подземных рассолов бассейна.
В литературе, относящейся к 20-40-ын годам, имеются лишь отдельные указания, отмечающие те или иные стороны качества вскрываемых подземных вод и связанных о ними явлений. В частности, отмечено, что в ходе водоотлива из шахт при восстановлении их после Гражданской войны наблюдалось обильное выделение углекислого газа, вынудившее на 1,5 месяца приостановить работы на шахте "Большевик" [78] Глубины шахт в Кривбассв не превышали в то время 200-250 м. Наиболее ранние упоминания о встречающихся в подземных выработках водах с высокой минерализацией имеются в публикациях А.Е.Зеленко и СГ.Жария [59] и П.Н.Торского [Пб] . Обширная сводка данных о макрокомпонентномх составе хлоридных вод бассейна имеется в неопубликованных материалах Г.С.Буренина и С.М.Орлянкина. эти данные обобщены в книге Д.И.Щеголева [132] » в которой отмечено существование в Кривбассе трех гидрогеохимических зон: верхней, где распространены гидрокарбонатные воды, средней - с сульфатными водами, и нижней - с хлоридными водами,
36 К макрокомпонентам химического состава подземных вод в данной работе отнесены следующие ионы: Ctj Щ'у НСОъ7(Ма*+К),Са., Mgu
в тон числе и рассолами, минерализация которых превышает 100 г/л. Вод влиянием дренажа происходит нарушение естественной гидрогео-химичесвой зональности; гидрокарбонатные воды спускаются в зону сульфатных вод, а сульфатные - в зону хлоридных вод.
После перерыва, связанного с Великой Отечественной войной и периодом восстановления шахт после освобождения Кривбасса от оккупантов, систематическое накопление новых данных о химическом составе подземных хлоридных вод возобновилось в конце 40-х годов. Отбор проб воды для определения ее химического состава производился специалистами Кривбассгеологии и Кривбассруды. Анализы воды, выполняемые в химических лабораториях этих организаций до начала 60-х годов, ограничивались, как правило, определением концентраций маврокомпонентов, величин общей минерализации, сухого остатка и рН. Таким образом, данный период изучения геохимии подземных хлоридных вод Кривбасса характеризуется массовым накоплением относительно однородной геохимической информации. Эти данные способствовали развитию представлений о гидрогеологических условиях Кривбасса, в частности его гидрогеохимической зональности, естественно-исторических предпосылов ее формирования. Они отражены в работах А.Б.Щербакова [133-135] « А.В.Щврба-вова и И.Л.Князевой [136] , В.Д.Нотарова [86-88,9o] .
Данные о микрокомпонентах подземных рассолов Кривбасса, их газовом и изотопном составе впервые изложены в монографии А.Е.Ба-бинца [б], с опубливованием воторой в 1961 г. в истории геохимического изучения подземных рассолов Кривбасса может быть выделен новый этап, который характеризуется расширением круга изучаемых компонентов их состава, в частности, с середины 60-х годов при наблюдениях за режимом химического состава шахтных вод, выполняемых Кривбассгеологией, наряду с определениями маврокомпонентов
вод регулярно производятся определения концентраций калия, брома, йода, кремнекислоти, железа, воднорастворимых соединений азота. Существенно возрастает и общее число анализов химического состава подземных вод, что обусловлено увеличением глубины горных выработок и связанным с этим ростом водопритоков и солености шахтных вод. С середины 60-х годов в Кривбасое проводятся работы по изучению газового и изотопного /дейтерий, кислород-18/ состава рассолов.
Результаты геохимического изучения подземных хдоридных рассолов Кривбаоса проведенного в 60-70 гг., изложены в многочисленных публикациях и отчетах, в частности, в работах В.Д.Нотарова [39,89], В.Д.Нотарова и Р.В.Попова [98-98], А .В .Щербакова [185], Р.В.Попова [Ю2,103], М.Й.Клещева [62], В.С.Шабатина о соавт. [128], Г.СВартаняна [80, 7ф], М.С.Галицына [4Ф] и др. В этих работах, основанных преимущественно на аналитических данных Кривбасогеологии, изложены представления о гидрогеохимической зональности Кривбаоса, геохимических особенностях его подземных рассолов, их происхождении, приведены мнения о вероятных величинах их максимальной минерализации. Краткий обзор основных результатов геохимического изучения подземных рассолов Кривбаоса, полученных в этот период, изложен ниже.
В работах В.Д.Нотарова и Р.В.Попова [96-97] и Г.СВартаняна [80,7Ф] шахтные хлоридные воды Кривбаоса рассматриваются как результат техногенного смешения подземных хлоридных рассолов с относительно пресными водами, поступающими в шахты из верхней части вскрываемого разреза, позднее наличие смешения было экспериментально подтверждено М.С.Галицыным [4Ф]. Тем оамым внесено существенное уточнение в представления Д.И.Щеголева [l32], согласно которым в результате горного водоотлива имеет место лишь пос-
ледовательное вытеснение вод, вскрываемых в нижней части разреза, водами, залегающими выше.
Особенности вертикальной гидрогеохимической зональности Кривбасса рассмотрены в работах В.Д.Нотарова [39,87,89], В.Д.Но-тарова и Р.В.Попова [94,95,98] и в. С.Шаба тина с соавт. [128]. В этих работах подтверждаются представления Д.И.Щеголева [182] о том, что в Кривбассе имеет место прямая гидрогеохимичеокая зональность. Выделяется три гидрогеохимических зоны: верхняя, в пределах которой распространены относительно пресные воды, средняя - зона солоноватых и соленых вод, и нижняя - зона распространения хлоридных рассолов. Отмечается, что глубины залегания рассолов в разных частях бассейна различны, в частности указывается на более близкое их залегание к поверхности в южной части бассейна. Имеются однако определенные расхождения в оценках мощностей гидрогеохимических зон, характеристиках подземных вод по химическому составу и минерализации. В работах [95,98] излагаются представления о сменах кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных обстановок в вертикальном гидрогеохимическом разрезе бассейна, однако информация об условиях производства соответствующих измерений и конкретные данные не приводятся, во всех работах, затрагивающих вопросы гидрогеохимичесвой зональности Кривбасса, в частности, при рассмотрении данных о распределении солености вод с глубиной, не оговаривается то обстоятельство, что авторы опираются на данные о химическом составе шахтных, т.е., как правило, смешанных вод.
Изложенные в перечисленных выше работах представления о химическом составе криворожских рассолов неоднозначны. Большинством исследователей подземные хлоридные рассолы Кривбасса рассматриваются как относительно однородные по своему химическому сое-
таву. Однако в работах Г.С.Вартаняна [80»7Ф] указывается на различные концентрации ряда макрокомпонентов в хлоридных водах и рассолах разных шахт бассейна, позднее это представление было подтверждено М.С.Галицывым [4Ф] на более широкой аналитической основе, в том числе с привлечением некоторого числа определений микрокомпонентов /13 анализов/.
В работах В.Д.Нотарова и Р.В.Попова [93,96,98] утверждается, что с ростом минерализации рассолов бассейна происходит увеличение концентраций сульфат-иона и щелочно-земельных элементов лишь до минерализации ІЮ-І20 г/л; далее рост солености происходит только за счет увеличения концентрации хлористого натрия. В качестве характерных особенностей криворожских рассолов В.ДіНо-таров и Р.В.Попов указывают на присутствие в них йода в концентрациях 0,7-0,9 мг/л независимо от минерализации рассолов [96,98] и на наличие в них сероводорода [94,95].
Не существует единого мнения и о величине максимальной солености подземных вод Кривбасса. Наиболее высокая минерализация рассолов, подтвержденная анализом, /163,6 г/л/ отмечена в шахте "Октябрьскаяи на глубине 735 м [93]. Высказываются предположения, что в недрах Кривбасса рассолы могут иметь максимальную минерализацию до 200 г/л [93,96] и даже более 200 г/л [98,135], однако каких-либо доказательств не приводится.
В целях определения солености вод на глубинах предполагаемого в недалеком будущем заложения шахт предпринимались попытки непосредственного отбора проб из глубоких /до 2 км/ разведочных скважин малого диаметра. Однако из-за технических сложностей получить пробы неразбавленных рассолов не удалось [2Ф»4Ф].
М.И.Клещевым установлены корреляционные зависимости между минерализацией шахтных вод, пробы которых отобраны на глубинах
153-750 м, и глубиной их отбора [62]. по полученным уравнениям регрессии он предложил оценивать соленость вод на более глубоких горизонтах. Следует отметить, что полученные уравнения регрессии описывают не естественное распределение солености вод с глубиной, а корреляционные связи в произвольной выборке отобранных на разных глубинах проб разбавленных рассолов, экстраполяция этих связей на область распространения неразбавленных рассолов не может не привести, по нашему мнению, к ошибочным выводам. На необходимость оценки физико-химической устойчивости рассолов с ростом их минерализации при прогнозных оценках максимальной их солености указал М.С.Галицын [4Ф].
Данные о газовом составе подземных рассолов и водовмещающих пород Кривбасса содержатся в работах А.Е.Бабинца [6], Г.В.Тох-туева и Т.А.Французовой [118]» В.Д.Нотарова и Р.В.Попова [94] і Г.Й.ВОйтова [34»35,5Ф], Г.Й.Войтова с соэвт. [37].
Согласно данным [6] растворенные газы имеют существенно азотный состав и обладают повышенными содержаниями /до 11-12$/ кислорода и углекислого газе, а также инертных газов /до 2,8$/. В работе [94] указывается на повышенные содержания углекислого газа в выработках, вскрывающих карбонатную толщу верхней свиты. Авторы объясняют этот факт взаимодействием серной кислоты, образующейся при окислении сульфидов, с карбонатными породами. Исследованиями Г.В.Тохтуева и Т.А.Французовой [118] показэно, что обогащенность докембрийских пород Еривбасса газами неоднородна. В зависимости от цитологического состава пород содержание газов в них варьирует от 2,3 до 173 см^/кг. В составе газов доминирует азот; другие газы представлены водородом и углекислым газом, иногда присутствует кислород. Наибольшие содержания углекислого газа /до 155,7 см3/кг/ приурочены к доломитам верхней свиты. Из
работ Г.Й.Войтова [35,5ф] следует, что газы пород и подземных вод бассейна имеют более многообразный состав. Спонтанные газы подземных выработок состоят из азота, метана и водорода /десятки объемных процентов/, гелия и гомологов метана /первые проценты/. Эти же газы присутствуют и в породах средней свиты. Наибольшие концентрации углеводородов приурочены к вторичной жильной минерализации - оульфидоносным жильным образованиям. Изотопный состав их углерода сходен с изотопным составом углерода метана нефтегазовых месторождений зоны катагенеза. Наибольшие концентрации гелия /до 0,52 см3/кг/ и водорода /до 5*056 см3/кг/ отмечены в карбонатах. Концентрации гелия в подземных рассолах оценены Г.И.ВОЙТОВЫМ как "оверхвысокие".
Вслед за А.Е.Бабинцом [б], исследования которого позволили выявить связь концентраций тяжелых изотопов воды с ее соленостью, изотопный состав /дейтерий, кислород-18/ хлоридных вод бассейна исследовался В.А.Поляковым [4Ф], С.И.Смирновым [ЗФ]. Распределение концентраций в рассолах бассейна кислорода-18 исследовались И.Ф.Вовком и В.И.Высоцким [30,3l] * А.Е.Бабинцом, И.Ф.Вовком и В.й.Высоцким [7] и И.Ф.ВОВКОМ [29]. Перечисленные работы были предприняты с целью выяснения генезиса рассолов. При этом использовались два принципиально разных подхода, в первых двух работах генезис рассолов Кривбасса оценивался по соотношению /Л и да0, в последних - путем реставрации химического состава исходных рассолов, основанной на использовании тесной корреляционной связи концентраций компонентов их химического состава с величиной о 0 . Авторы перечисленных исследований пришли к совершенно разным выводам, о содержании которых будет сказано несколько ниже.
В соответствии с развивающимися представлениями о геохимии подземных хлоридных вод бассейна и о роли в их образовании тех или иных этапов геологической истории Кривбаоса были предложены различные гипотезы происхождения криворожских рассолов. к.И.Маков /по данным работы [136]/, а также Д.й.Щеголев [132] считали рассолы Кривбасса "ископаемыми морскими водами". А .В «Щербаков и И.Л.Князева [іЗб] связывали происхождение хлоридных вод и рассолов Кривбасса с выщелачиванием солей из докембрийских и третичных отложений с последующим сносом поверхностными и подземными водами в сторону депрессий в условиях аридного климата. Гидрогеохимический разрез бассейна сформировался, по их мнению, за счет дифференциации солей по их удельному весу. Сходной точки зрения на природу вертикальной гидрогеохимической зональности в Кривбассе, но при несколько иных взглядах на происхождение солености вод, придерживался в ранних работах Б.Д.Нотаров [88] По его мнению в образовании подземных рассолов Кривбасса приняли участие воды различного происхождения, в том числе и морские, а также воды, образующиеся за счет дегидратации пород при их мета-морфизации. Пополнение запасов хлористого натрия в водах глубоких горизонтов он связывал с выщелачиванием его из пород кайнозойского осадочного покрова, а высокая минерализация формирующихся рассолов объяснялась метаморфизацией состава вод в недрах. Представления о генетической связи рассолов Кривбасса с водами палеоморей получило наибольшее распространение. Вслед эн Д.Й.Щеголевым [І32І оно разделялось - при различии мнений о времени и механизме проникновения вод в недра и частичного преобразования их состава и солености - А.Б.Бабинцом [б], В.Д.Нотаро-внм и Р.В.Поповым [96-98], Р.В.Поповым [102,103] , М.С.Галицыным [138,4Ф], В.А.Поляковым [4ФІ.
Ео мнению А.Е.Бабинца [б] образование рассолов обусловлено протекающими в недрах процессами многократного увеличения солености захороненных вод. Возраст рассолов оценен им по данным гелий-аргонового метода от II /рассолы южной части бассейна/ до 86 млн. лет /рассолы северной части бассейна/. Обосновывая точку зрения о генетической связи криворожских рассолов о морокими водами, А#Е.Бабинец указывал на полную тождественность ряда их геохимических показателей, в частности, величин хлор-бромного и хлор-магниевого отношений /[6]t стр.217/.
В.Д.Нотаров и Р.В.Попов [96-98], и Р.В.Попов [ЮЗ] также считают, что рассолы Кривбасса являются почти полным аналогом морской воды соответствующей солености. Криворожские раосолы по их данным не отличаются от морской воды по величинам отношений натрия к хлору, хлора к брому, калия к натрию, и кальция к стронцию. Согласно их представлениям [97,102], поддержанным М.С.Галицыным [4Ф], поступление морских вод в недра Кривбаоса связано с морским бассейном сарматского времени, воды которого обладали повышенной соленостью. Отмечая, что рассолы Кривбасса существенно отличаются от морской воды испврительного концентрирования, М.С.Галицын связывал эти отличия с метаморфизацией захороненных вод. В.А.Поляков [4Ф], интерпретируя результаты первых определений величин SB и "Хл0 , пришел в выводу о том, что шахтные хлориднне воды представляют собой результат смешения вод морского и атмосферного происхождения, по его мнению изотопный состав захороненных морских вод претерпел незначительные искажения вследствие утяжеления изотопного состава кислорода /"кислородный сдвиг11/»
Мнение о мантийном источнике поступления рассолов в недра Кривбасса высказал Н.Д»Аверичев [8Ф] Каких-либо геохимических
аргументов ъ пользу этой точки зрения он не привел, и основывался лишь на факте приуроченности структуры Криворожского синкли-нория к глубинному разлому древнего заложения.
Г.С.Вартанян с соавг. [18] связывал происхождение криворожских рассолов с миграцией их из Днепровско-Донецкой впадины /ДДВ/« Каналом для миграции послужила, по его мнению, основанному на результатах ограниченного числа геотермических измерений в Кривбассе [7Ф], Криворожско-Кременчугская разломная зона.
Представление о генетической связи рассолов Кривбасса о подземными рассолами ДДВ получило существенное развитие в результате исследований происхождения подземных рассолов кристаллических щитов, руководимых С.И.Смирновым [ЗФ]. В ходе этих исследований, в которых принимал участие и автор данной работы, были получены новые данные о геохимии подземных рассолов бассейна, в том числе об их изотопном составе /дейтерий, кислород-18/ и изотопном составе сульфатной серы рассолов, выполнены палинологические исследования подземных вод и пород. Изучение состава микрофитофоссилий в подземных рассолах бассейна явилось продолжением работ, впервые предпринятых по инициативе СИ.Смирнова в 1971 г. [7ФІ. Определения спорово-пыльцевых включений выполнены Е.А.Кладовщиковой. В результате работ было показано, в частности, что интерпретация генезиса рассолов, основанная лишь на данных об их химическом и изотопном /дейтерий, кислород-18/ составе, не может быть однозначной. Более определенно, а именно в пользу представления о генетической связи их с рассолами ДДВ, свидетельствуют резкая обогащенность криворожских рассолов тяжелым ее изотопом - 5 и обнаруженные в рассолах микрофитофоссилий, в составе которых присутствуют споры, характерные для девонских солей ДДВ, и комплекс пыльцы, сходный с пыльцевым комплексом ле-
сов умеренного климатического пояса. Совокупность геохимических, спорово-шльцевых данных и анализ палеогеографических условий региона позволили сформулировать гипотезу о происхождении рассолов Еривбасса в результате миграции их из ДДВ в геологически недавнее, возможно в четвертичное время. Однако ряд вопрооов не получил достаточно полного освещения, в частности: не били выяснены причины отличий химического состава рассолов от подземных рассолов ДДВ, не раскрыта вероятная роль техногенного фактора в формировании спорово-пыльцевого комплекса шахтных хлоридных вод, не затрагивались вопросы прогноза максимальной минерализации подземных рассолов на глубинах, превышающих глубины шахт. Для решения этих вопросов были проведены дополнительные полевые и экспериментальные исследования.
Публикации последних лет свидетельствуют о том, что изложенное представление о генетической связи рассолов Еривбасса с подземными рассолами ДДВ не получило широкого признания. Нельзя не отметить в этой связи работ И .Ф .Вовка [26-29] , в которых изла^ гается мнение о том, что образование рассолов в недрах кристаллических щитов может быть обусловлено радиолизом воды, в ходе которого воды с исходной соленостью, соответствующей солености морской воды, могут увеличивать ее до стадии садки галита. Не распространяя этот механизм увеличения солености подземных вод на образование рассолов Еривбасса, й.Ф.Вовк и В.й.Высоцкий.[30, ЗІІ и Й*Ф.Вовк [29] предполагают, что рассолы поступили в Ерив-басс из ДДВ в период развития морского эвапоритового бассейна, либо образовались за счет "элизионного отжатия межкристальной маточной рапы и поровых растворов на начальной стадии эпигенетических преобразований". В последнее время А.Е.Бабинцом, й.Ф.Вов-ком и В.И.Высоцким [7] высказано мнение о происхождении рассолов
Кривбасса как "результате захоронения рапы солеродного бассейна". Состав первичных рассолов, по их мнению, может быть определен на основе корреляционных связей между концентрациями компонентов химического состава и величиной S'8 и шахтных хлоридных вод. Авторы исходят, таким образом, из возможности сохранения соотношений основных компонентов состава исходных рассолов неизменными. Эта точка зрения позднее обстоятельно изложена в работах [29,30] .
Представление о рассолах Кривбасса, как реликте гидротермальных растворов, высказал А.И .Германов [4І] .
Таким образом существующие представления о генезисе подземных рассолов Кривбасоа весьма многообразны и в разной степени обоснованы. При этом иногда одним и тем же исследователем высказывались за сравнительно короткий промежуток времени разные точки зрения на их природу, что убедительно свидетельствует о дис-куссионности этой проблемы. В значительной мере в связи с ее нерешенностью остается открытым и вопрос о максимальной минерализации рассолов на проектируемых глубинах добычи железных руд шахтным способом.
Из имеющихся представлений о генезисе криворожских рассолов, охватывающих почти все существующие в настоящее время гипотезы происхождения подземных хлоридных рассолов, лишь немногие исходят из фактов историко-геологического развития региона и при этом геохимически аргументированы, последние можно свести в три группы: I/ представления, связывающие происхождение рассолов Кривбасса с захоронением морских вод повышенной солености одного из кайнозойских морских бассейнов, 2/ представления, согласно которым криворожские рассолы возникли в результате захоронения -рапы одного из палеозойских эвапоритовых бассейнов, 3/ представ-
ления, связывающие происхождение рассолов Кривбасса о миграцией их из ДДВ, где происходит формирование их под влиянием палеозой-свих соленосних толщ.
Из представлений о генезисе криворожских рассолов, отнесен^: них к первым двум группам, следует, что рассолы бассейна являются реликтами древних эпох, т.е. в настоящее время не может происходить возобновления их запасов. Третья группа представлений не исключает и современного их подтока из области их формирования - ДДВ. Следовательно, от решения проблемы генезиса рассолов Кривбасса может зависеть не только обоснование прогноза их минерализации на глубинах проектируемого заложения шахт, но и достоверность количественных оценок их притоков в подземные выработки. Таким образом, решение проблемы генезиса криворожских рассолов является весьма актуальным для практики горных работ.
Из приведенного выше обзора результатов исследований геохимии криворожских рассолов и представлений об их генезисе нетрудно сделать вывод, что большое многобразие имеющихся точек зрения на природу высокой солености подземных вод Кривбасса связано в значительной мере с качеством используемой геохимической информации, различиями в понимании роли тех или иных этапов историко--геологического развития региона для формирования подземных рассолов, с отсутствием решающей информации об их происхождении. В качестве общего недостатка всех указанных выше работ следует отметить то обстоятельство, что геохимические признаки подземных рассолов Кривбасса рассматривались вне связи с особенностями минералогического и химического состава водовмещающих пород.
Исходя из изложенного и учитывая опыт предыдущих исследова-
ний задачами настоящего исследования являются: I/Coздание информационной основы, включая качественно новые /сравнительно с предшествующими/ данные. 2/Уточнение представлений о геохимическом облике природных подземных рассолов Кривбасса. 3/ Оценка возможной связи геохимических признаков рассолов бассейна с минералогическим и химическим составом водовмещающих пород; изучение и анализ техногенного гидрогеохимического поля Кривбасса и реконструкция естественного его поля /по максимальной концентрации хло-ридных ионов на всех горизонтах/. 4/ Анализ историко-геологичес-ких реконструкций для восточной части Украинского кристаллического щита /УКЩ/ в связи с решением вопроса о вероятных источниках хлоридных ионов Кривбасса. 5/ Анализ всех имеющихся данных, оценка на их основе достоверности гипотез происхождения рассолов Кривбасса. 6/ Прогноз максимальной минерализации рассолов на основе наиболее достоверной гипотезы их происхождения.
3. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ КРЙВБАССА
Криворожский железорудный бассейн расположен в пределах южного склона УКЩ, в бассейне р.Ингулец и ее притоков - pp. Сакса-гани и Іелтой, В его геологическом строении принимают участие кристаллические породы архея и нижнего протерозоя, которые почти повсеместно перекрыты маломощными /первые десятки метров/ чехлом кайнозойских отложений.
Архейские образования представлены гранитоидами. породы нижнего протерозоя представлены, главным образом, метаморфическими сланцами /криворожская серия/, образующими сложно построенный синклинорий. В плане он представляет собой полосу субмеридионального простирания шириной до 7 км и общей протяженностью до 85 км /рис.3#1/. С востока к Криворожскому синклинорию примыкает массив шюгиоклазовых грзнитоидов, с северо-востока и с запада - массивы микроклиновых и микроклин-плагиоклазовых гранитоидов. Толща пород криворожской серии прорвана местам и дайками диабазоврго состава, ориентированными субширотно. Строение Криворожского синкли-нория осложнено также многочисленными складками и разрывными нарушениями [8l].
Продуктивная толща, содержащая железные руды различного происхождения и минералогического состава, залегает в нижней части разреза пород криворожской серии. Основные выходы ее на поверхность докембрийских пород приурочены к восточному крылу синклино-рия.
Железные руды бассейна представлены многими разновидностями, по условиям залегания и содержанию железа они могут быть разделены на две большие группы: бедные железные руды, содержащие железа менее 46%, и богатые, преимущественно окисленные, ру-
РУ ПерВомайско?
4'
РУ им. Ленина
Vb РУ "" Комиитерыа '-— {fapy ит.Либкчетт
PJuM.Kupeta
'PVum. Дзержинского
l РУипиШьиив
l/'t РУ им. JlwxcemSyps ІРУим. З Партсьезда
'/Гру їм.Фруизе
СЕВ' Ш* № ШЗч szis ЕЗе ПП-> ЕЗв Е39 Е3' ЕЗ» Е3« И5|о -|Ш1« ГШ7Ц5
Рис.З.І. Схема геологического строения Криворожского железорудного бассейна н разграничение участков работ рудоуправлений /РУ/.
/Геологическая основа заимствована из работы [9] с упрощениями и дополнениями/.
у. знана: I - 9бъвдинввнaf,,, а - ии. іенина, 8 -
- "Центральная0, 5 - "жная", 6-ий. Фрунзе, 7 - "Октябрь
ская", 8 - "Большевик", 9 - "Комеомольокая-з", I - "Роди
на ", II - ии. Артема, 18» им* Кирова, ІЗ * "іакеагань",
14 - "Центральная", IS» "Ющуиар", 16- им. ГНУ, 17 *
- "Юаяая", 18 - им. Валявко-беверная, 19 - "Центральная"
*, 4-
Криворожская серия: і - кварцито-метапесчаниковая подсжита верхней свиты, 2 - сланцевая подсвита верхней свиты, 3 - средняя железорудная свита, 4 - нижняя аркозофиллитовая свита, 5 - амфиболит ова я свита. Интрузивные комплексы: 6 - дайковый комплекс, 7 * днепровский гранитоидный комплекс, з - аплито-пегматоидные граниты. Контакты и структурные элементы: 9 - стратиграфические несогласия, ю - согласные контакты юрод, II - тектонические нарушения, 12 - Криворожский разлом, 14 - линия геологического разреза, is-» шахтн;
ды. Первые распространены более широко и встречаются в виде стратиграфически выдержанных горизонтов и пластов на всем протяжении продуктивной толщи, вторые - в виде глубоко погружающихся тел различных размеров и форм. Скопления железных руд бассейна образуют полосу месторождений, которая по геолого-структурным признакам подразделяется на три района: Саксаганский, Центральный и Ингулецкий /см. рис.3.1/.
Протяженность Саксаганского района около 30 км. В его недрах сосредоточено 85% общих запасов богатых руд, не требующих обогащения. Распространение богатых железных руд в Саксаганском районе прослежено буровыми скважинами до глубины 2660 м, в то время как в других районах оно установлено до глубины 500-900 м [20$ 114]. В Саксаганском районе расположено 8 из Ю рудников, действующих в настоящее время в Кривбассе. К этим рудникам относятся наиболее глубокие шахты бассейна. При осушении их извлекается основной объем подземных рассолов, обладающих наибольшей в Кривбассе минерализацией. По этой причине в данной работе основное внимание уделено рассмотрению условий Саксаганского района, и в дальнейшем изложении при употреблении терминов "Кривбасе", "бассейн", "Криворожский синклинорий" мы будем иметь в виду преж' де всего Саксаганский район Кривбасса.
С поверхности докембрийские породы в Кривбассе повсеместно носят следы выветривания. Выветрелые породы лимонитизированы, обладают повышенной трещиноватостью. Мощность зоны выветривания переменная и, в зависимости от литологического состава крутопадающих слоев, варьирует в пределах от первых десятков метров до 300 и и более. Наименьшая мощность ее отмечается у сланцев.
