Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Природные условия формирования подземных вод 9
1.1. Физико-географическая характеристика 9
1.2. Геологическое строение 16
1.3. Гидрогеологические условия 21
ГЛАВА 2. Обзор гидрогеологических исследований 35
2.1. Попутные гидрогеологические исследования 35
2.2. Специальные карстологические и гидрогеохимические исследования 38
ГЛАВА 3. Методика исследований 45
3.1. Полевые работы 45
3.2. Режимные наблюдения 47
3.3 Гидрогеологические особенности проявления карста 49
3.4. Методы исследования карста 54
3.4.1. Гидрогеологические методы 54
3.4.2. Гидрометрические методы 61
3.4.3. Геологические методы 62
3.4.4. Гелиевый метод 63
3.5. Дистанционные исследования 64
3.6. Уязвимость и защищенность подземных вод к загрязнению . 65
3.6.1 .Общие положения 65
3.6.2. Состояние региональных гидрогеологических исследований . 68
3.6.3. Опыт картирования уязвимости подземных вод к загрязнению 72
3.7. Оценка состояния подземных вод и геологической среды 77
3.7.1. Принципы оценки 77
3.7.2. Изучение источников загрязнения 81
3.7.3. Расчеты развития ареалов загрязнения 82
3.7.4. Картографическая оценка состояния подземных вод 86
3.8. Составление гидрогеологических карт в районах развития процессов загрязнения 92
3.8.1. Общие положения 92
3.8.2. Частные гидрогеоэкологические карты 94
3.9. О создании систем гидромониторинга 96
3.9.1. О гидрогеологическом мониторинге 96
3.9.2. О карстологических экспериментах в натурных условиях 97
3.9.3. Обсуждение результатов и выводы 99
ГЛАВА 4. Гидрогеологические особенности районов развития карстующихся пород 103
4.1.Исходные данные 103
4.2. О формировании карстовых коллекторов и трещинно-карстовых вод Уральской складчатой области 109
4.3. Формирование химического состава трещинно-карстовых вод Уральской гидрогеологической складчатой области 117
4.4. Районы классического карста Пермского Приуралья 139
4.5. Особенности гидрогеологии и геологического строения Пермского Приуралья на примере северной части Уфимского плато 142
4.5.1. Геолого-гидрогеологическая характеристика 142
4.5.2. Химический состав трещинно-карстовых вод 148
ГЛАВА 5. Геохимическая деятельность трещинно-карстовых вод и рекомендации по их использованию 167
5.1. Общая характеристика геохимической деятельности трещинно-карстовых вод 167
5.2. Гидродинамические особенности проявления карста 169
5.3. Исследование трещинно-карстовых вод для целей водоснабжения 176
5.4. Карстовые формы и месторождения полезных ископаемых 176
5.5. Техногенез и его влияние на трещинно-карстовые воды и карстующиеся породы 179
5.6. Противокарстовые мероприятия 185
Заключение 197
Библиографический список 202
- Геологическое строение
- Специальные карстологические и гидрогеохимические исследования
- Уязвимость и защищенность подземных вод к загрязнению
- О создании систем гидромониторинга
Введение к работе
Актуальность работы. Карстующиеся породы с трещинно-карстовыми
водами занимают на Среднем Урале и в Пермском Приуралье до 30 %
территории. Там, где массивы карстующихся пород пересекаются
глубинными тектоническими разломами, формируются участки повышенной
обводненности, или зоны сосредоточения трещинно-карстовых вод со
значительными ресурсами. Карстующиеся породы легко подвергаются
растворению подземными водами. В результате формируются карстовые и
трещинно-карстовые коллекторы, поверхностные и подземные карстовые
формы. Карстовые процессы увеличивают объемы коллекторов, но
существенно осложняют разработку месторождений полезных ископаемых,
строительство и эксплуатацию сооружений и коммуникаций. С
геологической деятельностью трещинно-карстовых вод связано формиро
вание: бурых железняков, мартитов, бокситов, руд никеля, огнеупорных
глин, кварцевых песков, россыпных месторождений золота, платины,
алмазов и др. Залежи полезных ископаемых приурочены к зонам
интенсивного карста вдоль несогласных контактов карбонатных пород с
некарстующимися отложениями. При разработке месторождений
суффозионно-карстовые процессы становятся активнее. В карбонатном
карсте закарстованность возрастает на 10-20 %, в сульфатном - на 100-200 %,
а в соляном - на 1000 % и более. Интенсивность карстовых процессов
неодинакова в различных гидродинамических и, особенно, в техногенных
условиях, возрастая в переходной зоне и в условиях техногенеза в 2-3 раза и
более. Трещинно-карстовые воды массивов карбонатных пород имеют в
регионе большое водохозяйственное значение, но в присутствии сульфатных
пород резко теряют свои высокие качества в связи с ростом их
минерализации, общей жесткости и концентрации сульфат-ионов.
Формирование карстовых пустот и провалов под сооружениями и
коммуникациями вызывает аварии на железных дорогах, шахтах, мостовых
переходах и продуктопроводах. Иренский и Кишертский районы относятся к
классическим районам развития сульфатного карста. Эти районы
пересекаются железными дорогами, нефте- и газопроводами. Карстовые
процессы, формируя коллекторы для ценных трещинно-карстовых вод,
одновременно наносят ощутимый экономический ущерб
народнохозяйственным объектам. Поэтому исследование карстовых процессов гидрогеологическими методами в комплексе с геолого-геофизическими исключительно актуально.
Цель работы: изучить гидрогеологические особенности массивов карстующихся пород горно-складчатой и платформенной частей региона с целью рационального использования ресурсов трещинно-карстовых вод и геологической среды (ГС).
В связи с этим решались следующие задачи:
- оценить состояние гидрогеологической изученности Среднего Урала и Пермского Приуралья и разработать методику районирования и выделения
элементов для гидрогеологического картирования районов, сложенных карстующимися породами;
районировать территорию региона по структурно-гидрогеологическим и гидролого-гидрогеологическим принципам;
построить гидрогеохимические модели по каждому району и исследовать на их основе процессы формирования химического состава вод в различных гидродинамических зонах;
отразить на гидрогеохимической карте ситуации с естественными и нарушенными условиями;
-уточнить особенности гидрогеохимической зональности и оценить интенсивность карстовых процессов в различных гидродинамических зонах;
-разработать рекомендации по внедрению системы мониторинга по контролю над состоянием трещинно-карстовых вод и рациональным использованием ГС.
Объект исследований: зона активного (интенсивного) водообмена массивов карстующихся пород в платформенной и горно-складчатой частях региона.
Предмет исследований: гидрогеологические процессы в массивах карстующихся пород в платформенной и горно-складчатой частях региона при естественных и техногенных условиях.
Методы исследований, достоверность результатов и фактический материал. Использованы полевые (маршрутные), геолого-геофизические методы с буровыми и горными, аналитическими, камеральными и картографическими работами. Эффективность выданных рекомендаций доказана на основе моделирования гидрогеологических и карстологических процессов, прогнозной дифференцированной оценки геологической деятельности трещинно-карстовых вод и систем мониторинга. Достоверность результатов исследований и основных научных положений подтверждается также сопоставимостью полученных результатов с результатами других исследователей, опубликованных в томе XIV Гидрогеологии СССР и в трудах классиков уральской школы гидрогеологов. Использовано 1226 химических анализов проб подземных вод, включая 162 пробы, отобранные лично автором в полевых условиях. По районам региона построен 21 сводный гидрогеологический разрез. Теоретические обобщения, натурные наблюдения автора и результаты моделирования характеризуются хорошей сходимостью с опубликованными материалами.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методические подходы к оценке процессов формирования, объема и интенсивности геологической деятельности карстовых (трещинно-карстовых) вод. Наряду с геометрическими методами исследования и модульной оценкой подземной химической денудации в т/км в год, применяется параметр относительного модуля подземного химического стока, выноса и привноса в т/км2,м в год. Это позволяет оценить не только объем, но и интенсивность процессов в системе: вода-карстующиеся породы.
Закономерности распространения и формирования карстовых (трещинно-карстовых) вод в зависимости от структурно-гидрогеологических, гидродинамических условий и состава карстующихся пород. Объем геохимической деятельности подземных вод снижается, а интенсивность ее возрастает от горных районов к равнинным территориям. Максимум интенсивности приурочен к гидродинамической зоне сезонных и многолетних колебаний уровня карстовых (трещинно-карстовых) вод, обусловливая здесь активный спелеогенез.
Рекомендации по исследованию и дальнейшему освоению водных и минеральных ресурсов зоны активного водообмена массивов карстующихся пород и созданию систем мониторинга. Пресные воды хозяйственно-питьевого качества связаны с карбонатным типом карста. В сульфатных породах формируются воды некондиционные по качеству. Выделено четыре типа площадей по оценке закарстованности и степени устойчивости к техногенному воздействию: устойчивые, относительно устойчивые, неустойчивые и весьма неустойчивые.
Научная новизна:
Выполнена схема районирования региона, отражающая основные особенности структурно-гидрогеологических условий формирования трещинно-карстовых вод и вмещающих их массивов карстующихся пород.
На основе комплексирования гидрогеологических, геолого-геофизических исследований и дистанционных методов выявлены зоны сосредоточения трещинно-карстовых вод, как зоны интенсивного развития карстового процесса.
Произведена дифференцированная оценка и выявлены закономерности проявления объема и интенсивности геологической деятельности трещинно-карстовых вод и их качества по структурно-гидрогеологическим, ландшафтно-климатическим и гидродинамическим признакам.
Обобщены материалы по вопросам практического использования гидрогеологических особенностей массивов карстующихся пород, в связи с необходимостью дальнейшего освоения их водных и минеральных ресурсов, а так же строительством инженерных сооружений и коммуникаций.
Практическая значимость результатов:
Выявленные закономерности распространения и формирования трещинно-карстовых вод региона позволили оценить объем и интенсивность проявления подземных карстовых процессов, что открывает новые возможности оценки ресурсов и качества трещинно-карстовых вод.
Вычисленные параметры объема и интенсивности подземной химической денудации массивов карстующихся пород, позволили установить, что интенсивность подземной химической денудации в зоне сезонных и многолетних колебаний уровня грунтовых вод повсеместно в 2-3, а в массивах карстующихся пород в 3-5 раз выше, чем в зоне аэрации. Это позволяет переоценить водные и минеральные ресурсы региона.
Гидрогеологические исследования и комплекс мероприятий в составе разработанной автором системы мониторинга обеспечил выделение четырех
типов площадей по оценке закарстованности и степени устойчивости к
техногенным, суффозионно-карстовым процессам: устойчивые,
относительно устойчивые, неустойчивые и весьма неустойчивые.
Апробация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе научные положения докладывались автором: на Всероссийских, международных и региональных научных и научно-практических конференциях: в Пермском госуниверситете (1998-2005), на Всероссийских научно-практических конференциях: в Оренбурге (1998), Пскове (1998), Воронеже (2001), Новочеркасске (2001), Тольятти (2004), на международных конференциях и конгрессах в Братиславе (Словакия, 1999), Рио-де-Жанейро (Бразилия, 2000), Екатеринбурге (2001), Мюнхене (2001), Флоренции (Италия, 2004) и др.
По теме диссертации опубликовано 20 работ. Результаты исследований реализованы в проектах Института «Пермгипроводхоз» и Института карстоведения и спелеологии РГО, на объектах ООО «Пермтрансгаз».
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем текста 217 страниц, количество рисунков - 45, таблиц - 24 , библиографический список содержит 272 наименования.
За советы и консультации при подготовке диссертации автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору А.Я. Гаеву. За ценные советы автор признателен также сотрудникам Института карстоведения и спелеологии и Пермского университета доценту Е.А. Иконникову, кандидатам геолого-минералогических наук Ю.А. Килину и И.И. Минькевич, профессорам В.Н. Дублянскому, Б.М. Осовецкому, Р.Г. Ибламинову, Б.С. Луневу, В.Н. Катаеву, доцентам И.М. Тюриной, Г.К. Михайлову, Н.Е. Молоштановой и др.
Геологическое строение
Геологическое строение охарактеризовано в фундаментальных исследованиях Н.С. Шатского, А.В. Пейве (1947), Н.А. Штрейса, С.Н. Иванова, В.М. Нечеухина, Б.М. Романова, И.Д. Соболева. (1963), Н.П. Хераскова, В.А. Перваго, Д.С. Коржинского, И.И. Горского, Л.Н. Овчинникова (1963, 1968), В.Д. Наливкина, Л.Н. Розанова и др. (1979), СП. Максимова (1970), П.А. Софроницкого (1967), Ю.А. Косыгина, А.Л. Яншина, В.Е. Хайна, А.С. Перфильева (1977) и др. В строении региона выделяются следующие тек тонические структуры (рис. 1.5): 1) Западная платформенная, приуроченная преимущественно к Волге-Уральской антеклизе, контактирующей на юге с Прикаспийской синеклизой; 2) Предуральский краевой прогиб; 3) Уральская постмиогеосинклинальная складчатая область, включающая Западно-Уральскую внешнюю зону складчатости и Центрально-Уральское поднятие; 4) Уральская постэвгеосинклинальная складчатая область с Тагило-Магнитогорским прогибом, Восточно-Уральским поднятием, Восточно-Уральским прогибом.
Платформенное Приуралье является восточной частью Русской(Восточно-Европейской) платформы, архейско-нижнепротерозойскийфундамент которой перекрыт мощным чехлом рифейско-вендских и палеозойских пород. Мезозойские и кайнозойские осадки имеют в разрезе чехла подчиненное значение. Основной тектонической единицей является Волго-Уральская антеклиза, граничащая на западе, севере и юге соответственно с Московской, Печорской и Прикаспийской синеклизами. В ее составе выделяются своды и выступы фундамента (Сысольский, Коми-Пермяцкий, Котельничский, Пермский, Немский и др.), а также впадины и прогибы (Верхнекамская, Казанско-Кажимский и др.) (рис. 1.5). Кроме того, выделяются моноклинали и седловины. Осадочный чехол платформы сложен терригенными рифейско-вендскими и преимущественно карбонатными палеозойскими породами, венчающимися сульфатно-галогенно-карбонатными пермскими, преимущественно кунгурскими, образованиями.
Вдоль западного борта прогиба обнаружены рифовые постройки преимущественно артинского возраста. Осадочный чехол в прогибе и на платформе осложнен многочисленными флексурами, валообразными и антиклинальными поднятиями, которые согласуются с тектоническими нарушениями в кристаллических породах фундамента.
Большая часть платформенных тектонических структур (сводов, впадин, прогибов) имеет прямое отражение в рельефе (Котельничский, Токмовский своды, Альметьевская вершина, западная часть Мелекесской впадины, Верхнекамская впадина, Бирская седловина и т. д.), что свидетельствует об унаследованности их геотектонического развития. Ряд структур, по замечанию М.И. Зайдельсона (1969), характеризуется обращенным рельефом (Оренбургский, Жигулевско-Пугачевский своды, Казанско-Кажимский прогиб). О неоднозначности истории геотектонического развития свидетельствует приуроченность глубоких врезов донеогеновых долин к площадям, характеризующимся относительно стабильным неотектоническим режимом и даже отрицательными движениями (полоса левобережья Волги, долина Камы, участки по Белой, Уралу, Б. Кинелю и др.).
Уральские горно-складчатые сооружения четко подразделяются назападную — постмиогеосинклинальную и восточную постэвгеосинклинальную подобласти. Постмиогеосинклинальная подобласть представляет собой авлакогенообразный мегамоноклинорий, сложенный преимущественно породами протерозойского возраста, осложненный блоковыми поднятиями типа Тараташского и ограниченный на западе и на востоке глубинными разломами и системой крупных надвигов.Рис. 1.5. Схема тектонического строения Урала (по данным В.А. Клубова, М.Ф.
Мирчинка, СП. Максимова, П.А. Софроницкого, И.Д. Соболева, Л.К. Галкина) а - границы крупнейших (надпорядковых) структур, платформы, предгорного прогиба, горноскладчатых сооружений; б - границы антеклиз, синеклиз, постмио-геосинклинальной и постэвгеосинклинальной областей горно-складчатых сооружений; в -границы крупных (I порядка) структур: поднятий, впадин, сводов, прогибов, моноклиналей, зон складчатости; г - границы вершин и выступов сводов, седловин; д -Камско-Кинельская система межформацнонных прогибов нижнего карбона. I. Волго-Уральская антеклиза. Своды: 1-1 - Пермский, 1-4 - Башкирский. Впадины и прогибы: 1-2 - Верхнекамская. Моноклинали: 1-3 - Камская. II. Предуральский краевой прогиб. Впадины: II-1 - Соликамская, П-2 - Юрюзано-Сылвинская. III. Горно-складчатый Урал. III-1 Уральская постмиогеосинклинальная складчатая область, включающая: Ш-А - Западно-Уральскую внешнюю зону складчатости, Ш-Б -- Центрально-Уральское поднятие. Ш-2 - Уральская постэвгеосинклинальная складчатая область, включающая: Ш-В - Тагило-Магнитогорский прогиб, Ш-Г -Восточно-Уральское поднятие и III-Д - Восточно-Уральский прогиб.
Специальные карстологические и гидрогеохимические исследования
Первыми гидрогеологическими работами являются исследования врачей-бальнеологов и рудознатцев. По «ржавцам» - кислым водам и разноцветным солям, выпадающим из этих вод, в том числе и на карбонатных породах, рудознатцы отыскивали руды медного колчедана. Минеральные воды Урала, в том числе и в связи с карстующимися породами описаны участниками первых академических экспедиций (И.И. Лепехиным, П.С. Палласом, И.П. Фальком, И.Г. Георги), в работах А.Н. Третьякова, П.И. Кротова, А.А. Краснопольского, М.О. Клера и др. Из подземных рассолов промышленное солеварение существовало в Пермском Приуралье с XI в. до 20-х гг. XX столетия. Обобщения по минеральным водам отдельных районов с подсчетами ресурсов выполнены М.О. Клером, С.А. и A.M. Иконниковыми, В.В. Эпштейном и др. С 50-х гг. XX века начаты разведочные работы с подсчетом запасов минеральных и промышленных вол на курортах Усть-Качка, Ключи и др. Конторой «Геоминвод» с 60-х гг. исследуются Красноусольские и другие минеральные источники и бальнеологические свойства рудничных вод Урала. На основе обобщения этих данных составлена сводка В.В. Эпштейна (1948) «Геохимия подземных вод Урала», оказавшая влияние на развитие гидрогеохимических исследований в регионе Минеральным и промышленным водам отдельных районов посвящены работы Н.И Толстихина, И.Н. Шестова, А.В. Шурубора, Г.А. Максимовича, В.Я. Кулаковой, В.Ф. Ковалева, А.И. Ковальчука, B.C. Лукина, М.Л. Хромовой, Л.В. Боревского и др.
Первые сведения о карстовых явлениях на Среднем Урале были получены в связи с выполнением здесь геолого-съемочных, разведочных, гидрогеологических изысканий и в связи с добычей полезных ископаемых. Эти данные содержатся в рукописных отчетах в геологических фондах. Первый чертеж «Кунгурских пещер» составлен в 1703 г. Семеном и Леонтием Ремезовыми. К наиболее ранним публикациям по карсту относятся работы, выполненные В.И. Генниным, И.Г. Гмелиным, Г.Ф. Миллером и др. в 20-40 гг. XVIII столетия, а так же участниками экспедиций Российской академии наук во второй половине XVIII в., в частности, Н.П. Рычковым (1769 - 1770), И.И. Лепехиным (1770 - 1771), И.П. Фальком (1772), И.Г. Георги (1773), Б. Германом (1792), а так же Г. Розе, Р.И. Мурчисоном,
Ф.Ю. Гебауэром. Они описали в долинах рек пещеры, ниши и погребенные формы карста. Карстовые формы отмечены в «Историко-географическом описании Пермской губернии» (1801). Карстовые провалы, пещеры, исчезающие речки, ключи охарактеризованы Н.С. Поповым в «Хозяйственном описании Пермской губернии» (1802), В.М. Севергиным в сочинении «Опыт минералогического землеописания Российского государства» (1809), археологами, краеведами, учеными Казанского университета. Карстовые формы отмечены в справочной литературе по Пермской губернии.
Более глубокие исследования карстовых форм были выполнены геологами Геолкома с 1882 г. В начале XX века А.А. Штукенбергом выполнена съемка карстовых форм на трассе проектируемой железной дороги у г. Кунгура (1906), В.А. Варсанофьевой опубликована статья «Карстовые явления в северной части Уфимского плоскогорья» (Журнал «Землеведение», 1915 г.). В трудах упомянутых исследователей поднимаются уже вопросы теории: 1. Связь карста с составом, трещиноватостью, мощностью карстующихся пород, условиями их залегания и рельефом местности. 2. Взаимосвязь поверхностных и подземных карстовых форм. 3. Первые классификации карстовых форм и пещерного льда. 4. Выявление древних и подрусловых карстовых форм. 5. Зависимость карстовых форм от условий залегания карстующихся пород. Второй этап карстологических исследований начался с постановки геолого-съемочных работ: в юго-восточной части области под руководством Г.Н. Фредерикса (1924), Н.А. Зенченко по р. Чусовой (1928), И. Скрыль в междуречье Камы и Чусовой (1931), Н.П. Герасимова и Е.И. Тихвинской на юге Пермской области (1931), М.В. Круглова в северной части Уфимского плато (1933). В 1938 г. появилась первая сводка М.О. Клера по карсту Урала. В связи с изысканиями под гидротехнические сооружения, исследования карста выполнены по р. Сылве от г. Кунгура до устья (под руководством Н.К. Тихомирова (1931-1934) и И.М. Переслегина (1934-1935). В работе Л.М. Миропольского «К изучению железорудных месторождений так называемого Алапаевского типа на восточном склоне Урала» (1934) охарактеризован древний карст. М.О. Клер на протяжении многих лет изучал поверхностные и подземные формы карста в районах восточного и западного склонов Урала. В его работе «Карсты Урала» (1938) описаны пещеры в долине р. Нейвы у Алапаевска, по р. Пышме, в окрестностях с. Курьи, в долине Кунары у д. Кашиной. Описаны так же карстовые воронки у г. Сухой Лог и к востоку от ст. Богданович и ст. Кунара. Погребенные формы карста охарактеризованы в Режевском, Алапаевском и Сухоложском районах. Описание закарстованных палеозойских известняков выполнили Б.М. Федоров, В.А. Вахрамеев, Н.И. Архангельский, Н.А. Каржавин. Б.П. Кротов и Н.Д. Зленко (1936) на основании материалов разведочных работ на железорудных месторождениях Алапаевского района, описали древний погребенный рельеф палеозойских пород. В послевоенный период интенсивно осваиваются природные ресурсы региона. На геоморфологической карте Урала (1946) отражены карстовые формы и пещеры. Карст изучается при поисках и разведке месторождений нефти и газа, строительных материалов, огнеупорных глин, поделочных камней, пресных и минеральных вод. Геолого-съемочные работы ведут К.П. Плюснин, 1947; Л.А. Шимановский, 1963; В.И. Мошковский, 1973; Е.А. Иконников, 1969, 1990. Карстовые процессы изучаются карстово-спелеологической станцией ЕНИ при Пермском университете, кафедрой динамической геологии и гидрогеологии ПТУ, а с 1952 г. Кунгурским карстовым стационаром УрО РАН. Исследования проводятся при строительстве и эксплуатации железной дороги и мостовых переходов, ЛЭП, гидросооружений, жилых и промышленных объектов. Ленинградским филиалом Гидропроекта геофизические работы были поставлены (1953), а Московским и Пермским университетами продолжены в Кунгуре на Ледяной горе (1956-1957). В статье М.А. Карасика: «Месторождения никелевых руд Режевского района» (1948) описаны погребенные формы карста. Публикуется статья А.С. Белицкого: «Развитие древнего карста на восточном склоне Среднего Урала» (1949). С эпохами карстопроявлений на Урале И.И. Гинзбург (1951, 1952) связывает образование древних кор выветривания. В работе Д.В. Рыжикова «Природа карста и основные закономерности его развития» (1954) описаны примеры карстовых форм Среднего Урала. С 50-х гг. XX века гидрогеохимические методы начинают применяться при поисках месторождений полезных ископаемых, контроле над качеством водных ресурсов, с целью охраны подземных вод от загрязнения. Развитию гидрогеохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых в регионе способствовали методические разработки ВСЕГИНГЕО (А.А. Бродский, Г.А. Голева и др.) по рудным месторождениям, ИГИРГИ (Е.А. Барс, М.И. Зайдельсон и др.), ВНИГНИ, ВНИГРИ и др. по месторождениям нефти и газа. Г.А. Вострокнутовым, А.Я. Гаевым и др. выполняются опытно-методические гидрогеохимические работы в районах Урала. На нефтяных месторождениях такие работы проводят А.А. Оборин, И.Н. Шестов и др. Массовому применению гидрогеохимических методов способствовало производство полевых лабораторий, разработка экспрессных колориметрических, спектральных, абсорбционных, а так же ионоселективных и нейтронно-активационных методов анализа. Разрабатываются методики по определению водорастворимых газов, растворимых органических веществ и микроорганизмов. Для развития гидрогеологических исследований большое значение имели обобщающие работы Г.А. Максимовича (1955), В.А. Кротовой (1956, 1962), К.Е. Питьевой (1966), Г.П. Якобсона (1970), Е.А. Барс (1958 - 1970), работы по региональной гидрогеологии Н.И. Толстихина, И.К. Зайцева, В.А. Кирюхина, Е.В. Пинеккера, геохимические работы М.А. Глазовской, А.И. Перельмана, В.М. Швеца, П.А. Удодова, СР. Крайнова, B.C. Самариной и др. В них обобщен большой фактический материал по водам, в том числе, палеозоя Приуралья, сделана попытка раскрыть закономерности формирования подземных вод. Крупным обобщением обширного фактического материала с применением оригинального комплекса методов явилась монография А.Я. Гаева «Гидрогеохимия Урала и вопросы охраны подземных вод». Контроль за состоянием водозаборов осуществляют органы Госсанэпиднадзора и лаборатории ряда ведомств. К сожалению, материалы контроля не публикуются и нередко утрачиваются. Кроме того, далеко не все макрокомпоненты и загрязнители подвергаются анализу, да и уровень лабораторных работ крайне неодинаков по качеству. Системы мониторинга только зарождаются. С 60-х гг. XX в. проводятся систематические исследования подземных вод одиночных и групповых водозаборов. Некоторое время контроль за качеством подземных вод осуществлялся специальными партиями территориальных геологических организаций (В.М. Кругов, П.И. Смирнов и др.). Гидрогеологи и гидрологи занимаются вопросами фильтрации сточных вод из шламохранилищ и отстойников в горизонты подземных вод на Верхнекамском месторождении калийных солей, в Первоуральске, Кишерти, Кунгуре и др. (Ю.М. Матарзин, Г.А. Максимович, Л.А. Шимановский, Б.Б. Немковский и др.). К.А. Костина обосновала высокую миграционную способность фенолов в поверхностных и подземных водах в связи со сбросом сточных вод. Л.И. Безель (1964) из Свердловского института гигиены труда и профпатологии выполнила сводную работу по санитарному состоянию рек Урала. Влияние сброса сточных вод горнодобывающих предприятий на подземные воды охарактеризовано В.М. Морозовым, A.M. Черняевым, А.П. Сирманом, А.Л. Балдиной, В.А. Покровским, Я.Г. Свердловым и др. Ряд работ освещает вопросы взаимосвязи и формирования химического состава поверхностных и подземных вод (A.M. Черняев, Л.Е. Черняева, Р.В. Булатов, Г.А.Вострокнутов, Г.А. Максимович, Е.А. Кротова, Г.Г Жидкова, Е.А. Лушников, В.П. Зверев, А.Н. Огильви и др.). Закономерности изменения химического состава грунтовых вод в Пермском Приуралье исследовались Г.А.Максимовичем (1955), а в 1955-1958 гг. -А.П. Семихатовым, В.И. Духаниной. Построены гидрогеохимические карты Среднего Урала (Ковальчук и др., 1963). Карта гидрогеохимической изученности Среднего Урала, Карта гидрогеохимических аномалий Урала и «Сводная прогнозно-геологическая карта Урала» построены Г.А. Вострокнутовым и др., 1963. Две из них вошли в комплекс металлогенических карт Урала. Обобщения по отдельным районам и региону в целом выполнены в диссертациях (Гаев, 1969, 1985; Ковальчук, 1970, Иконников, 1978; и др.). В ряде работ освещается возраст подземных вод региона и формирование их химического состава (А.И. Силин-Бекчурин, В.Ф. Ковалев, В.Н. Кулакова, А.И. Ковальчук, Л.Е Черняева, A.M. Черняев, Ю.П. Вдовин, А.В. Козлов, Л.К. Гуцало и др.). Показано, что геологическая работа подземных вод достигает особенно большой интенсивности в районах развития карстующихся пород (Г.А. Максимович, К.А. Горбунова,
Уязвимость и защищенность подземных вод к загрязнению
Фактический материал автор собирал под руководством научного руководителя в лабораториях УрО РАН и ПГУ. Собраны материалы и использованы физико-химические анализы проб воды (1260 проб), почв и грунтов (около 800), данные по литолого-минералогическому и химическому составу вмещающих пород (32), химические анализы водо-растворенных и свободных газов (160) и водорастворенного органического вещества (180). Рассчитывались и собирались сведения о модулях водного и химического стока и модулях предельно-допустимого загрязнения, информация о водно-физических свойствах горных пород. Собраны данные по источникам загрязнения ОС, составу загрязненных и сточных вод. Изучен характер развития потоков и ареалов загрязнения, их площади и изменения во времени, а также характер связи их с источниками загрязнения. Большая часть фактического материала собиралась из литературных и фондовых источников в обработанном и частично обобщенном виде в форме таблиц, графиков, разрезов, схем, карт, профилей. Сбор материалов осуществлялся с целью разработки моделей и архитектурно-планировочных мероприятий.
Чтобы выяснить особенности режима, необходимо изучить пути миграции загрязнителей в компонентах ОС, в газопылевых выбросах, продуктах ветровой и водной эрозии и пр. Для этого необходимы данные об атмосферных осадках, о розах ветров, продуктах эрозии почв и отвалов горных выработок, нарушенных земель и т.д. Наконец, собиралась информация о результатах режимных наблюдений за водоемами и водозаборами хозяйственно-питьевого и иного назначения, за качеством поверхностных и подземных вод. Пробы воды и образцы почв и грунтов анализировались в стационарных условиях. Определялся достаточно большой комплекс компонентов, отраженный на наших схемах и картах (см. гл. 4 и 5). В собранном фактическом материале использован широкий круг методов, рекомендованный ВСЕГИНГЕО и ГЕОХИ им. В.И. Вернадского. Это химический, количественный и приближенно-количественный спектральный, пламенно-фотометрический, масс-спектрометрический и полярографический анализы, производились водные и соляно-кислотные вытяжки из почв и грунтов. Осуществлялись внешний и внутренний контроль за результатами анализов в пределах 10-20% проб. При расчете фоновых значений исключались аномальные концентрации элементов, заведомо связанные с зонами загрязнения и рудными залежами. Предпочтение отдавалось анализам с более высокой чувствительностью и точностью. Отбор осуществлялся путем статистической обработки результатов внутреннего и внешнего контроля качества анализов. Кроме того, сопоставлялись статистически обработанные результаты, полученные разными аналитическими методами. Так, определение фоновых концентраций элементов в компонентах ОС осуществлялось при помощи вероятностного трафарета Н.К. Разумовского. Использованы выборки соответственно из совокупностей 150 для подчиненных ландшафтов и 200 анализов для автономных элементарных геохимических ландшафтов.
Предпочтение отдавалось результатам полевых определений, а не анализам в стационарных условиях, поскольку установлено изменение химического состава вод при хранении проб. Например, значения Eh и рН в глубинных рассолах по данным А.Н. Козина и В.Ф. Шерстнева, измеренные потенциометром ЛП-58 непосредственно на скважине показали значения рН 4,2-4,7, а в стационарной лаборатории - 5,3-6,5. Одни и те же пробы рассолов по программе М.И. Зайдельсона анализировались в восьми стационарных лабораториях. Расхождения возрастали по мере увеличения продолжительности срока хранения проб для йода (от -100 до +20%), аммония и бора. Поэтому мы использовали не единичные анализы, а результаты статистической обработки массовых анализов с учетом случайных и систематических погрешностей. Такие материалы были получены в процессе более чем двадцатилетних исследований в лаборатории оптимизации природопользования и охраны геологической среды ОрПИ, реорганизованной в дальнейшем в отдел Горного института УрО РАН. Фактический материал отбирался в лаборатории и в данной работе с учетом способов опробования компонентов ОС, уровня физико-химических исследований и результатов их статистической обработки.
Для оценки защищенности геологической среды мы используем методику ВСЕГИНГЕО [169], в соответствии с которой рассматривается защищенность горизонтов грунтовых вод от проникновения загрязнителей сверху, с земной поверхности; при этом учитываются мощность, литологический состав, фильтрационные свойства покровных и перекрывающих водоносный горизонт отложений. Мы предлагаем принимать во внимание и возможность поступления загрязнителей сбоку, по водоносному горизонту, и связываем понятие защищенности с наличием или отсутствием литологических, тектонических и геохимических барьеров [8, 14, 23, 138]. Под устойчивостью горизонта подземных вод или геологической среды в целом понимается физико-химическая и
О создании систем гидромониторинга
Носителями информационных ресурсов площадей, находящихся на региональной, поисковой и разведочной стадиях геологоразведочного процесса, являются геофизические и геологические предприятия и научные организации. Они обеспечивают сбор, обработку и интерпретацию данных, заканчивающуюся построением геологических моделей. На основе геологических моделей создаются модели геоэкологические. Каждая организация применяет свои способы работы, обрабатывающие и интерпретационные комплексы [14, 15, 25, 49, 50, 261]. Для месторождений, находящихся на стадии эксплуатации, основная информация по добыче и переработке сырья сосредоточена в различных службах соответствующих предприятий. Пока не существует информационных технологий, объединяющих управление сквозными геоэкологическими процессами. Почти не задействуются для этих целей и минералого-геохимические методы, разработанные П.Н. Чирвинским и пермской школой геологов и карстоведов. Использование же этих методов при построении геологических и геоэкологических моделей может значительно ускорить процесс трансформации их из плоских в пространственные. Тем самым, возможно повысить эффективность принимаемых на основе их анализа решений.
По типу хранения и представления информации выделяют: архивы первичной информации; геологические и геофизические фонды; базы данных; геологические модели.
Базы и банки данных содержат формализованную информацию как первичную, так и полученную в результате интерпретации. Базы данных различных типов информации создаются во многих организациях, но все они разрознены и построены на разных принципах [15].
Геологические модели строятся в результате использования материалов архивов, баз данных и опыта специалистов. Любая модель является лишь вариантом представлений о строении объекта. На каждой стадии освоения ресурсов недр модель уточняется с появлением новых материалов [14, 46, 49, 64, 109]. Применение различных методов, комплексов обработки и интерпретации геолого-геохимической и геофизической информации имеет при этом очень большое значение. Одной из наиболее важных проблем для закарстованных территорий является проблема использования в геоэкологических системах минералого-геохимических методов и создания единого информационного пространства с целью осуществления геоэкологического мониторинга (ГМ). Основой технологии ГМ является создание детальной геолого-геофизической и геоэкологической моделей объекта с оценкой состояния ОС и выделением соответствующих зон. По мере изучения и освоения объекта их модели уточняются, что позволяет принимать оптимальные решения.
Технология управления информационными ресурсами при создании такой модели требует автоматизированного обеспечения, оперативного доступа к геолого-экологической информации и надежного ее хранения, обработки, интерпретации и комплексного анализа. Схема представлена тремя связанными между собой блоками.
Первый блок предназначен для создания постоянно трансформирующейся геологической модели объекта. Система делится на две подсистемы: первичной подготовки данных и их хранилищем. Хранилище и система управления архивами предоставляет специалистам прямой доступ к банку данных через рабочие станции.
Второй блок предназначен для решения вопросов обеспечения и организации информации по состоянию ОС. На поисковом и региональном этапах выявляются фоновые условия и строятся карты состояния ОС, сопоставляемые с геологической моделью участка. Геоэкологическая модель позволяет дать предварительный прогноз изменения природных условий и оптимально разместить хозяйственные объекты. Устанавливается зависимость изменений ОС от выбора технических решений. Корректируется хозяйственная деятельность и устраняются негативные последствия.
Третий блок схемы отражает место в ГМ методов аэрокосмоэкологических исследований (ДЗЗ) [14, 64]. Съемочная аппаратура ДЗЗ на спутниках, работает в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах. Из систем ДЗЗ наиболее полно отвечают требованиям ГМ отечественные космические аппараты серии «Ресурс-Ф», американская LANDSAT и французская SPOT. Спутники серии «Ресурс-Ф» выполняются на базе платформы аппарата «Метеор-3». Их бортовой информационный комплекс предназначен для получения и передачи на землю информации в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Для приема этой информации используется персональная станция «СканЭР», которая не имеет аналогов в мире. Программная часть выполнена в Windows и состоит из двух основных приложений: программы управления приемом данных (ScanReceiver) и программы просмотра и первичной обработки данных (ScanViewer). Для многократного использования данных ДЗЗ целесообразно создание каталога ДЗЗ на магнитных носителях.
Массивы карстующихся пород являются наиболее сложными объектами исследований и моделирования. Идея геологического и геоэкологического моделирования в комплексе с технологией ГМ возникла у нас на основе анализа результатов полувековых исследований карстовых процессов в пермской школе карстоведов [67, 123, 143, 145]. В Институте карстоведения и спелеологии разработаны условия эксперимента. Изучалась относительная скорость растворения образцов гипсов и ангидритов в зависимости от их минерального состава, структуры, текстуры, наличия примесей, степени неоднородности в различных обстановках (атмосфера, поверхность земли, почва, пещера). Изготовлено 35 плиток размером 5 х 5 х 1,5 см. из гипса и ангидрита иренского горизонта кунгурского яруса верхней перми, взятых из обнажений, керна скважин и из Кунгурской ледяной пещеры. Состав образцов был уточнен по данным рентгеноструктурного анализа и шлифов [154]. В Кунгурской пещере плитки были помещены в гротах Длинный, Кастере-Лукина и Дружба (в озера и в воздухе).
В пещере были заложены образцы ангидрита (90%) с примесью гипса, гипса (100%) и ангидрита (82%) с примесью доломита (18%). Велись наблюдения за уровнем подземных вод, минерализацией воды в озерах и содержанием сульфатного иона.
Взвешивание образцов производилось перед установкой и в последующие периоды после высушивания при комнатной температуре. За восемь лет образцы потеряли в весе от 27,5 до 51 %. С повышением минерализации на поверхности озера появились пятна и пленка из кальцита с редкими кристаллами гипса. Весенний подъем уровня воды связан с паводком на р. Сылве и таянием снега, а осенний - с инфильтрацией атмосферных осадков. Весной минерализация вод снижается. Зимой разгружаются более глубоко залегающие трещинно-карстовые воды с повышенной минерализацией. За первые 2,3 года вес образцов уменьшился на 9-13 % (табл. 3.10, 3.11). Поверхность образцов гипса (II) при высыхании покрылась мучнистым налетом, прожилок серого цвета несколько выступил. Ангидрит (I) был осложнен микрокаррами. На образцах ангидрита (III) отмечены каверны с поперечником 1-3 см и глубиной 2-5 мм. В последующие периоды рельеф поверхности образцов становилсяконтрастнее. Растворение плиток происходило при невысоких температурах (3,6-4,0 при температуре воздуха 3,4-4,4) в воде сульфатно-кальциевого состава при ее медленном движении. Относительная скорость растворения ангидрита с доломитом (III) в 1,7 раза больше, чем гипса (И). Процессы растворения гипса и ангидрита носят сезонный характер в зависимости от величины дефицита насыщения воды сульфатом кальция. Денудация образцов за 373 сут. составила: I - 75, II - 50, III - 110 мг/см2/сут 10 "3. За 9 лет денудация образцов составила 106,5 - 194,8 мг/см2/сут - 10 3.18.06.85 г. в Кунгурской пещере установлены новые образцы: 1)гипса мелкозернистого белого с серыми прожилками, 2) гипса темно-серого, крупнозернистого и 3) ангидрита в гроте Дружба, 4) гипса серовато-белого, крупнозернистого и 5) ангидрита голубоватого в гроте Длинный. Плитки «а» помещены в воду озера, а плитки «б» подвешены на леске в воздухе.
Процесс растворения гипса и ангидрита в условиях пещеры ускоряется во времени. Он контролируется структурой, текстурой, составом минеральных зерен, включением менее растворимых примесей. Одновременно с растворением протекает гидратация ангидрита и залечивание микротрещин селенитом.
В карстующемся массиве относительная скорость растворения гипса и ангидрита изменяется с глубиной. В зоне вертикальной циркуляции слабоминерализованных вод гипс растворяется интенсивнее ангидрита. В
