Газогеохимические методы мониторинга геологической среды Верхнекамского месторождения солей Борисов Александр Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Краткая характеристика Верхнекамского месторождения солей 11

1.1. Геологическая характеристика 11

1.2. Газы осадочного разреза 23

1.3. Особенности процессов техногенеза в геологической среде ВКМС 33

Глава 2. Научно-методические основы использования газогеохимических методов 38

2.1. Условия нахождения и миграции природных газов в толще осадочных горных пород 40

2.2. Общие сведения о геохимии природных газов в осадочной толще 52

2.3. Влияние природных факторов на процессы формирования приповерхностного газового поля 60

2.4. Практическое применение газогеохимических исследований при решении горно-геологических задач 64

Глава 3. Газогеохимические исследования на территории ВКМС 70

3.1. Обзор ранее выполненных работ 70

3.2. Газогеохимические исследования на участке аварийной ситуации БПКРУ-1 76

3.3. Мониторинговые газогеохимические наблюдение над выработанным пространством рудника БПКРУ -1 84

3.4. Газогеохимические исследования на Палашерском участке ВКМС 88

Глава 4. Методические аспекты использование газогеохимических методов для контроля процессов техногенеза в геологической среде ВКМС 94

Заключение 107

Литература

• Газы осадочного разреза
• Особенности процессов техногенеза в геологической среде ВКМС
• Общие сведения о геохимии природных газов в осадочной толще
• Мониторинговые газогеохимические наблюдение над выработанным пространством рудника БПКРУ

Введение к работе

Актуальность темы исследований. Верхнекамское месторождение солей (ВКМС), расположенное в пределах Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба, является одним из крупнейших в мире разрабатываемых месторождений калийных солей. Наряду с освоением запасов калийных руд, в этом же районе длительное время ведется разработка подсолевых залежей углеводородов. И если ранее это осуществлялось только на территориально сопряженных площадях, то в последние годы на отдельных участках шахтных полей начата разработка одновременно запасов калийных руд и нефти.

Длительные техногенные нагрузки, связанные с освоением полезных ископаемых Верхнекамского региона, привели к коренному эволюционному преобразованию геологической среды в природно-техногенную систему, оказывающую активное и весьма существенное по масштабам влияние на все элементы природной среды и безопасность жизнедеятельности. Последнее особенно актуально в связи с территориальным сопряжением горнопромышленного производства с Березниковско-Соликамской градопромышленной агломерацией. Произошедшая в 2006 году авария и затопление рудника БКПРУ-1, шахтное поле которого расположено непосредственно под городской застройкой г. Березники, подтвердила необходимость дальнейшего совершенствования методов контроля процессов техногенеза в геологической среде, позволяющих отслеживать их влияние на безопасность ведения горных работ, состояние подрабатываемой территории и условия жизнедеятельности населения.

К числу методов, дающих возможность судить о характере процессов техногене-за в геологической среде, относится газогеохимическое зондирование приповерхностной части разреза, направленное на изучение особенностей «газового дыхания» недр. К настоящему времени накоплен довольно значительный опыт использования различных модификаций газовых съемок для решения таких горно-геологических задач, как картирование разрывных нарушений, прогноз геодинамических процессов, контроль за разработкой нефтегазовых месторождений, эксплуатацией подземных газохранилищ, состоянием ликвидированных угольных шахт и др. Проведенные исследования свидетельствуют, что газы литосферы, являющиеся наиболее мобильным ее компонентом, несут важнейшую информацию о состоянии недр и происходящих в них природных и природно-техногенных процессах. В отличие от других геолого-геофизических методов газогеохимические исследования позволяют с определенной степенью достоверности судить о характере проницаемости осадочного чехла и интенсивности процессов активизации вертикальных перетоков флюидов, что имеет существенное значение для обеспечении безопасной отработки калийных пластов Верхнекамского месторождения.

Степень изученности проблемы. Начало использования газогеохимических исследований на территории Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба

относится к 70-м годам прошлого столетия и связано с нефтегазопоисковыми работами, проводимыми ПермПИПИнефть. Проведенная на ряде площадей водная газогеохимическая съемка зоны активного водообмена показала, что водорастворенные газы могут использоваться в качестве показателей структурно-тектонических условий рассматриваемой территории и при выявлении нефтеперспективных объектов. В последующем гидрогазогеохимические исследования зоны активного водообмена вошли в комплекс гидрорежимных исследований, осуществляемых на нефтяных месторождениях района ВКМС в целях косвенного контроля за наличием вертикальных перетоков глубинных флюидов из подсолевой части разреза.

Первые попытки внедрения газогеохимических методов в комплекс геолого-геофизических исследований для изучения состояния соленосной части разреза ВКМС относятся к 1988-89 гг. и связаны с затоплением рудника БКПРУ-3. Сотрудниками Горного института УрО РАН и Института геофизики УрО РАН в этот период была апробирована методика водной гелий-аргоновой съемки по скважинам, вскрывающим первый водоносный горизонт, а также грунтовая газогеохимическая съемка. Несмотря на полученные результаты, свидетельствующие о принципиальной возможности использования различных модификаций газовой съемки, внедрение этих методов в комплекс производственных геолого-геофизических исследований на ВКМС не произошло.

Очередной всплеск интереса к возможному использованию газогеохимических методов на ВКМС относится к 2006 г. и связан с затоплением рудника БКПРУ-1, когда стала ясна необходимость дальнейшего совершенствования методов контроля за состоянием геологической среды с целью выявления ранних признаков нарушения водозащитной толщи (ВЗТ). Этому способствовала положительная апробация на территории Пермского Прикамья газоанализатора Ecoprobe-5 (производство фирмы RS DINAMICS Ltd, Чехия), позволяющего производить с высокой чувствительностью экспресс-анализ состава подпочвенного газа. Результаты этих исследований послужили основным материалом данной диссертационной работы.

Целью работы я являлось научно-методическое обоснование использования поверхностного газогеохимического зондирования для контроля за процессами техно-генеза в геологической среде Верхнекамского месторождения солей (ВКМС), сопровождающими освоении его ресурсов.

Задачи исследований:

1. Обобщение и анализ информации об особенностях природных газов осадочного чехла ВКМС.

2. Анализ результатов ранее выполненных газогеохимических исследований на территории ВКМС и прилегающих районов.

3. Оценка особенностей формирование приповерхностного газового фона на территории ВКМС и проявления в нем аномалий глубинного генезиса.

4. Оценка влияния на приповерхностный газовый фон процессов техногенеза, обусловленных шахтной разработкой калийных руд.

5. Оценка характера проявления в приповерхностном газовом фоне вертикальных ореолов рассеяния подсолевых залежей углеводородов.

6. Разработка методики проведения и интерпретации газогеохимических исследований для контроля процессов техногенеза в геологической среде ВКМС.

7. Практическая апробация методики газогеохимических наблюдений на участках ВКМС с различным уровнем техногенной нагрузки.

Объект исследования. Газы почво-грунтов на территории южной части Верхнекамского месторождения калийных солей.

Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе исследования состава подпочвенного воздуха в шпурах и мелких скважинах с использованием высокочувствительного экспресс-газоанализатора Ecoprobe-5, позволяющего фиксировать содержание метана, диоксида углерода, суммарного содержания углеводородов С₁-С₅ и летучих органических соединений (ЛОС). Для уточнения генезиса выявляемых газогеохимических аномалий производился хроматографический анализ состава сорбированных и рассеянных в почво-грунтах газов. Проведенные газогеохимические исследования включали как разовое опробование отдельных участков шахтного поля, отличающихся горно-геологическими условиями, так и мониторинговые наблюдения за динамикой приповерхностного газового фона на шахтном поле БКПРУ-1. При проведении последних привлекались стации автоматизированного контроля, разработанные фирмой RS DINAMICS Ltd на базе газоанализаторов Ecoprobe-5, позволяющие производить с заданной периодичностью автоматизированный анализ подпочвенного газа на содержание углеводородных компонентов и диоксида углерода. Интерпретация полученных результатов проводилась с привлечением материалов геодезических и геофизических исследований и использованием методов статистической обработки получаемой информации.

Научная новизна работы.

1. Впервые на территории ВКМС выявлены особенности формирования в приповерхностном газовом фоне аномалий, отражающих поступление миграционных компонентов из нижележащей части разреза, и основные факторы, определяющие их контрастность. Установлено, что компоненты подпочвенного газа относительно слабо связаны с минеральной матрицей почво-грунтов и характеризуют “свежее” поступление миграционных соединений, в то время как сорбированные в почво-грунтах газы отражают кумулятивный эффект их накопления.

2. Установлено, что деформация подработанного породного массива сопровождается высвобождением связанных газов и их последующим перераспределением в надсоляной части разреза по зонам природной и техногенной трещиноватости. Наиболее эффективным показателем интенсивности данных процессов является содержание в приповерхностном газовом фоне метана.

3. Доказано, что в случае нарушения водозащитной толщи и выщелачивании солей масштабы выделения газов резко возрастают, а их поступление в приповерхностную часть разреза осуществляется за счет адвекционного массопереноса по системе взаимосвязанных пор и трещин, что ограничивает масштабы их растворения в подземных водах. Это приводит к формированию в почвенном покрове за относительно короткий период высококонтрастных газовых аномалий, отличающихся «ураганными» концентрациями метана.

4. Установлено, что аномалии нафтидного типа, отражающие проявление в приповерхностном газовом фоне вертикальных ореолов рассеяния подсолевых нефтегазовых залежей, сопряжены с зонами повышенного содержания углеводородных газов и органики нефтяного типа в породах галогенной формации, в связи с чем эти участки могут быть проблемными с позиций безопасного ведения горных работ.

5. Зафиксировано, что при вводе нефтяных месторождений в эксплуатацию контрастность некоторых аномалий нафтидного типа возрастает, что свидетельствует об активизации процессов разгрузки вертикальных ореолов рассеяния залежей углеводородов в приповерхностную часть разреза. Установлено, что возникновение вертикальных перетоков флюидов в околоствольном пространстве скважин сопровождается формированием в подпочвенных газах их приустьевой зоны «ураганных» концентраций гомологов метана. Это позволяет использовать экспресс-газоанализатор Ecoprobe-5 в качестве эффективного инструмента для оперативного контроля герметичности нефтяных скважин.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается значительным объёмом выполненных газогеохимических исследований и современным уровнем применявшегося отечественного и зарубежного газоаналитического оборудования. Сопоставление полученных результатов с материалами геофизических исследований и бурения подтвердило реальность зафиксированных зон осложнения строения соляной и надсолевой толщ.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. На основе полученных результатов разработаны методические рекомендации по организации и проведению мониторинговых газогеохимических исследований на территории Верхнекамского месторождения солей. Реализация этих методических подходов осуществлена в «Программе газогеохимического мониторинга на БКПРУ-1», разработанной во исполнение решения Правительственной комиссии по недопущению негативных последствий техногенной аварии, вызванной затоплением калийного рудника БКПРУ-1.

Практическое использование разработанной технологии газогеохимического зондирования осуществляется при осуществлении мониторинговых наблюдений за районами газовоздушных «шапок» в выработанном пространстве затопленного рудника БКРУ-1 (2007-2016 гг.), районов образовавшихся провальных воронок, зон повышенных скоростей оседания земной поверхности в пределах городской застройки,

участков РЖД и ряда инженерных объектов, расположенных на подработанной территории. По заказу ООО «ЕвроХим» с целью выявления потенциально опасных зон при отработке калийной залежи осуществлено газогеохимическое опробование южной части Балахонцевского и Палашерского участков ВКМС, включая оценку влияния введенных в эксплуатацию скважин месторождения нефти имени Архангельского.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика газогеохимического зондирования с использованием экспресс-
газоанализатора Ecoprobe-5 позволяет оперативно выявлять поступление в припо
верхностную часть разреза миграционных газов, судить об их источниках и контро
лировать интенсивность процессов техногенеза в геологической среде Верхнекамско
го месторождения солей.

2. Зависимость приповерхностного газогеохимического поля ВКМС от геологи
ческих особенностей строения соляной и надсолевой частей разреза и характера про
цессов техногенеза, обусловленных шахтной отработкой калийных руд. Интенсив
ность поступление углеводородных газов в приповерхностную часть разреза позволя
ет контролировать характер происходящих в породном массиве деформационных
процессов, определяющих масштабы высвобождения связанных газов, и степень
флюидопроницаемости зон природно-техногенной трещиноватости.

3. Особенности проявления в приповерхностном газовом фоне аномалий
нафтидного типа, обусловленных вертикальными ореолами рассеяния подсолевых за
лежей углеводородов, позволяют использовать методы газогеохимического зондиро
вания для контроля характера воздействия эксплуатации подсолевых залежей углево
дородов на калийную залежь.

Личный вклад автора состоит:

выполнение теоретических исследований, направленных на изучение процессов формирования приповерхностного газового фона в различных горногеологических условиях;

организация и выполнении полевых исследований;

обработка, интерпретации и комплексном анализе результатов газогеохимических исследований;

разработка рекомендаций по совершенствованию системы мониторинговых газогеохимических наблюдений на шахтном поле БКПРУ-1.

Диссертация отражает результаты исследований, проводившихся при участии автора в 2005-2016 гг. по госбюджетной и хоздоговорной тематике Горного института УрО РАН. В период 2009-2013 гг. исследования по теме диссертации были поддержаны РФФИ и Администрацией Пермского края: проект р_урал_офи № 09-05-99023 «Разработка и апробация методов газогеохимического контроля процессов техногенеза в геологической среде месторождений солей с целью предупреждения аварийных ситуаций»; проект р_урал_а № 11-05-96023 «Исследование закономерностей транс-

формации природного геохимического фона при освоении территориально совмещенных месторождений нефти и калийных солей с целью совершенствования методов оперативного контроля процессов техногенеза в геологической среде».

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 4 из списка рекомендованного ВАК РФ. Основные результаты докладывались на различного уровня конференция и семинарах: научных чтениях памяти П.Н.Чирвинского «Проблемы минералогии, петрографии и металлогении» (Пермь, 2006), Международной конференции «Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов» (Казань, 2007), региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2005, 2008, 2010), Всероссийской конференции «Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы» (Москва, 2008), Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2008), всероссийской конференции с международным участием «Северные территории России: проблемы и перспективы развития» (Архангельск, 2008), научно-практической конференции «Охрана окружающей среды на объектах нефтегазового комплекса» (Альметьевск, 2008), международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2008, 2010), II Всероссийском съезде экологов нефтяных регионов (Томск, 2010), всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2010), всероссийской молодёжной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2010), Пятой международной научной конференции «Экологические проблемы недропользования. Наука и образование» (Санкт-Петербург, 2012), научно-практической конференции «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (Пермь, 2014), XIV Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Кыргыстан, 2015), научных сессиях ГИ УрО РАН (Пермь, 2005-2016), 2-ой Международной научной школе акад. К.Н. Трубецкого "Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр" (Москва, 2016).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, общим объемом 119 страниц машинописного текста, содержит 17 таблиц, 20 рисунков и список литературы из 132 наименований.

Работа выполнена в лаборатории геоэкологии горнодобывающих регионов Горного института УрО РАН, сотрудникам которой автор выражает глубокую признательность за поддержку и помощь при проведении исследований.

Газы осадочного разреза

Соляная толща общей мощностью до 550 м подразделяется (сверху вниз) на покровную каменную соль (ПКС), калийную залежь, состоящую из сильвинитовой (СЗ) и карналлитовой (КЗ) зон, и подстилающую каменную соль (ПдКС - P1br2) [50].

Соляные породы представлены каменной солью, сильвинитами и карналлитовыми породами. Детальная минералого-петрографическая характеристика этих соляных пород месторождения приведена в работах [35, 50, 74].

Каменная соль на месторождении слагает ПдКС и ПКС, разделяет продуктивные пласты калийной залежи и мергелей ПП. Ею также сложены зоны замещения продуктивных пластов. Она представляет собой почти мономинеральную породу, на 90-98% сложенную галитом (NaCl). В качестве примесей в ней встречаются ангидрит, силикаты (в основном глинистые минералы), карбонаты (доломит, кальцит) и др.

Сильвинит – биминеральная порода, сложенная галитом (NaCl) и сильвином (KCl). Содержание последнего в сильвините колеблется обычно в пределах 20-45 %. В качестве примесей присутствуют несоляные минералы (ангидрит, карбонаты, глинистые минералы и др.), суммарное содержание которых не превышает нескольких процентов. По текстурно-структурным особенностям и цвету выделяют красные, полосчатые и пестрые сильвиниты [50].

Карналлитовая порода состоит из карналлита (KClMgCl26H2O) и галита. В качестве примесей встречаются сильвин и несоляные минералы (ангидрит, карбонаты, глинистые минералы и др.).

Сильвинитовая зона сложена чередующимися пластами красных сильвинитов (КрIII, КрII и КрI), полосчатого сильвинита (А) и разделяющих их пластов каменной соли (КрII-КрIII, КрI-КрII, А-КрI). Мощность сильвинитовой зоны изменяется от 3,3 до 30,0 м и в среднем равна 17,4 м.

Карналлитовая зона сложена чередующимися пластами калийно-магниевых солей (девять слоев, которые индексируются снизу вверх буквами от Б до К) и каменной соли (восемь слоев - от Б-В до И-К). В основании зоны, непосредственно на пласте А, залегает пласт Б.

Подстилающая каменная соль (ПдКС) делится на три пачки [50], каждая из которых характеризуется определенным литологическим составом. В основании верхней пачки ПдКС находится пласт «маркирующая глина» (МГ) мощностью от 0,8 до 1,4 м, являющийся самым надежным маркирующим горизонтом соляной толщи месторождения. Средняя пачка представлена мощной, относительно однородной каменной солью, в которой встречаются прослои глинисто-ангидритового материала мощностью от 0,05 до 0,5 м (средняя 0,15-0,2 м). Нижняя пачка сложена чередующимися пластами (слоями) каменной соли и терригенно-хемогенных пород (глинисто-мергельно-ангидрито-доломитовыми разностями, алевролитами песчаниками). Общая мощность ПдКС изменяется от 50 м и менее в зонах выклинивания до 515 м во внутренних частях впадины, составляя в среднем около 330 м.

Подсолевые отложения охарактеризованы по данным бурения скважин на нефть. Сложены они породами среднего-верхнего палеозоя и верхнего протерозоя.

В составе артинского яруса нижней перми выделяют несколько одновозрастных комплексов, фациально сменяющих друг друга в широтном направлении и объединенных в саргинский горизонт. На западе Соликамской впадины это глины и мергели дивьинской свиты, а на востоке - обломочные породы (конгломераты, песчаники) урминской свиты (артинский «терригенный клин»). Средняя мощность саргинского горизонта составляет около 125-130 метров.

Отложения ассельского и сакмарского ярусов нижней перми представлены известняками, участками окремнелыми, прослоями органогенно-детритовыми, иногда глинистыми, битуминозными. Мощность их изменяется от 120 до 450 м.

В нижележащей части разреза наибольшие различия характерны для позднедевонско-турнейских отложений, что связано с развитием Камско-Кинельской системы впадин. Выделяют два типа разрезов этой части разреза - рифовый и межрифовый.

Нижележащие девонские и протерозойские отложения представлены переслаиванием песчаников, алевролитов и аргиллитов.

Тектоническое строение. В тектоническом отношении ВКМС приурочено к центральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба. Соликамская впадина представляет собой структуру, вытянутую в меридиональном направлении, ограниченную с севера Колвинской, а с юга Косьвинско-Чусовской седловиной.

Весь осадочный комплекс Соликамской впадины отразил в себе характер тектонических процессов геологической истории Урала и Предуралья. В палеозойских отложениях выделяется три структурных этажа: нижний – комплекс отложений, залегающих от фундамента до соляной толщи; средний – отложения соляной толщи; верхний, охватывающий комплекс карбонатно-терригенных отложений, покрывающих соляную толщу.

Нижний структурный этаж, изученный по данным геофизических работ и бурения, в целом обладает унаследованным от кристаллического фундамента характером залегания горных пород. Характеризуется пологим погружением в восточном направлении в сторону Урала, с поднятиями и впадинами платформенного типа, углы падения крыльев которых изменяются лишь долями градусов и редко достигают 1-2 градуса.

Большинство поднятий, осложняющих структурные планы данного этажа, связаны с развитием в позднедевонское время некомпенсированного осадконакопления, обусловившим формирование Камско-Кинельской системы впадин (ККСВ). На рассматриваемом участке ККСВ основным структурным элементом является Березниковское палеоплато, ограниченное на западе Среднекамским, на востоке Кизеловским и Яйвинским прогибами. В позднедевонское время в пределах палеоплато были благоприятные условия для формирования системы органогенных построек с единым карбонатным основанием. Некомпенсированное осадконакопление в позднем девоне в условиях развития органогенных рифовых построек явилось основой формирования в вышележащих каменноугольных и нижнепермских толщах структур облекания, амплитуда которых постепенно уменьшается вверх по разрезу (рис. 1.2). Размеры рифогенных структур - от одного до десяти километров в плане, а их высота составляет 40-80 м. Именно данные структуры являются основным фактором, контролирующим нефтяные залежи в подсолевой части разреза.

Особенности процессов техногенеза в геологической среде ВКМС

Термин «геохимическое поле», под которым подразумевается соответственное распределение концентраций ингредиентов (элементов, их изотопов, химических соединений) твердой, жидкой, коллоидной и газообразной фаз и физико-химических параметров среды в пределах некоторой части геологического пространства, вот уже довольно продолжительное время используется исследователями [73]. Для разграничения уровня концентраций газовых компонентов используются понятия о нормальном и аномальном геохимическом поле [52]. Поле нормальных концентраций, или фон, – это часть поля концентраций, в пределах которой пространственные изменения количественных характеристик полеобразуещего градиента имеют систематический характер, определяющийся особенностями региональной изменчивости свойств минеральной среды исследуемой части. Поле аномальных концентраций (или аномалия) – часть поля концентраций, в пределах которой количественные характеристики полеобразуещего ингредиента значимо отличаются от нормальных. В силу того, что некоторые природные газы обладают достаточно высокой химической активностью и в процессе миграции в осадочной толще способны вступать в реакции с минеральной частью горных пород и с компонентами подземных вод, основной объем исследований процессов формирования полей газовых компонентов в осадочных толщах выполнен для химически малоактивных и химические нейтральных компонентов [79].

Накопленные к настоящему моменту данные, позволяют рассматривать газогеохимическое поле, как динамично взаимосвязанную систему, обусловленную изменчивостью большого набора геологических, геофизических, ландшафтных, биохимических и других процессов в пространстве и во времени [73].

Ландшафтные факторы. При поверхностном газогеохимическом зондировании на особенности газогеохимического фона существенное влияние могут оказывать литологические особенности опробуемых почво-грунтов, определяющие возможность генерации сингенетичных газов, близких по составу к миграционным газам из нижележащей части разреза. Генерация значительных количеств метана, являющегося газом-индикатором соленосных отложений, возможна почвами болотно-торфяного типа [85]. Оценка масштабов данных процессов в условиях Пермского Прикамья возможна по материалам нефтепоисковых газогеохимических исследований в районах, где подобные почвы имеют широкое развитие.

Анализ состава десорбированных газов почв заболоченных территорий показал (табл. 2.8.), что биохимическая трансформация содержащегося в них органических веществ приводит к генерации значительно количества метана.

Приведенные данные свидетельствуют, что на территории развития почв болотно-торфяного типа глубина газогеохимического зондирования должна быть увеличена (ниже уровня развития этих почв).

Геологические факторы. Среди всего спектра геологических факторов, оказывающих влияние на интенсивность естественного распределения газовых компонентов, наиболее часто в литературе упоминается влияние зон повышенной проницаемости осадочного чехла и литологических особенностей пород, слагающих разрез по которому происходит миграция [73, 79, 94]. Формирование участков повышенной проницаемости обусловлено нарушением сплошности залегания горных пород в осадочной толще и образованию каналов зон трещиноватости, что приводит к увеличению интенсивности восходящего массопереноса компонентов из глубокозалегающих горизонтов [79]. Оценку масштаба влияния участков повышенной проницаемости на процесс вертикального массопереноса можно получить лишь косвенно. Так, на участках тяготеющих к зонам разломов, состав газов пластовых вод значительно обогащен СО2, H2S, N2, Не. Облик характера водорастворенных газов в приповерхностной части разреза достаточно близок к более погруженным геохимическим обстановкам [25].

Наиболее часто, в качестве значимого фактора, приводящего к относительному снижению интенсивности, и даже "затухания", субвертикальной миграции газовых компонентов в осадочной толще, рассматривается наличие в разрезе глинистых и соленых пород [73]. Экранирующие и проводящие свойства глинистых отложений зависят от минерального состава пород, содержания песчано-алевритовой примеси и микротрещиноватости глин (как первичной, так и вторичной). Глинистые пласты обладают не только диффузионной, но и частично фильтрационной проницаемостью, что обуславливает возможность пропускания малого количества газа в течение геологического времени. Повышение интенсивности миграции газов через глинистые отложения возможно под воздействием неотектонических процессов, в результате которых формируются новые нарушения и зоны повышенной трещиноватоски [94].

Экранирующая способность солей достаточно разнообразна для различных компонентов газового поля. В частности, как показывают исследования, экранирующая способность солей по отношению к газообразным и парообразным углеводородам значительно выше, чем к другим газовым компонентам [73]. Соли в отношении диффузионной проницаемости неоднородны, и при наличии примесей терригенного материала она значительно возрастает. Газопроницаемость солей контролируется макро- и микротрещинами, образующимися в ослабленных зонах в областях контактов между зернами и др. [51]. Путями миграции газовых компонентов в солях является густая сеть микротрещин, пересекающая кристаллы соли в различных направлениях. В отношении диффузионной проницаемости соли не являются однородными. Как правило, они выполняют роль экрана по отношению к жидким углеводородам С5 - С8 и более высокомолекулярным компонентам [4].Q

Общие сведения о геохимии природных газов в осадочной толще

Геологические исследования. Возможность применения гелия как индикатора при решении различных прикладных геологических задач обозначалась в 30-х годах прошлого века. Основоположником этого направления был В.Г. Хлопнин, создавший методику количественных исследований газов, в частности гелия, в минеральных породах [100]. Гелиевая съемка является довольно эффективным инструментом для выявления и трассирования разломов земной коры. Проницаемые разломы земной коры являются мощными каналами миграции глубинного вещества, в том числе и гелия. Поскольку гелий обладает достаточно высокой миграционной способностью, вследствие низкой атомарной массы, а также является инертным, изучение его концентрации позволяет получить специфическую информацию о проницаемости земной коры и ее геодинамической активности. Высокая информативность гелиевой съемки позволяет выявить современные мобильные разломы при любой мощности осадочного чехла и наложенном характере физических полей в разных горизонтах, т.е. в тех условиях, когда геофизические методы структурного картирования не дают результатов [88, 100].

Гелий обладает достаточно высокой растворимостью в воде, которая с ростом давления увеличивается практически линейно. С увеличением температуры растворимость также увеличивается. В результате этого в глубинных условиях растворимость гелия в пластовых водах весьма значительная, что позволило в 1970-1972 г. установить высокую информативность гелия для изучения миграции вод в подземной гидросфере [100]. Изучение концентраций гелия, в связи с его хорошей водорастворимостью и химической инертностью предопределили широкое применение гелиеметрических исследований в качестве одного из методов в гидрогеологии [77]. В гидрогеологии платформенных областей гелиеметрический метод позволяет решать следующие задачи: выявлять региональные закономерности формирования подземных вод, оценивать взаимосвязь водоносных комплексов различных гидродинамических зон, оценивать направление и скорость миграции подземных вод, получать информацию о проницаемости водоупоров, флюидном режиме зон тектонических нарушений, изучать условия формирования и генезиса месторождений минеральных лечебных и промышленных вод и др.

Аргоновая съемка обладает достаточно высоким потенциалом как инструмент изучения особенностей геотектонического строения месторождений калийных солей, и прежде всего выявления и трассирования нарушений водозащитной толщи [42-44, 88, 90, 91]. В отличие от других газов осадочной толщи и эвапоритовой формации, 40Ar однозначно генетически связан с калийными залежами. Инертность Ar40 препятствует его химическому связыванию с породами, что обуславливает возможность его диффундирования до глинистых отложений водозащитной толщи, а на участках нарушений их сплошности и до верхнего водоносного горизонта [42-44].

Горно-инженерные исследования. Комплексные газогеохимические исследования используются при строительстве и эксплуатации подземных газохранилищ в отработанных камерах солесодержащего пласта. В этом случаи, по газовым критериям (СН4, ТУ, СО2, Н2, Не) выполняется оценка влияния на степень надежности подземного резервуара неотектонических процессов, положения структурных блоков, тектонической активности межблоковых зон, устойчивости и проницаемости вмещающих горных пород [45, 46].

Выявленный эффект в распределении концентрации радона при изменении напряженно-деформированного состояния горного массива, позволил предложить использовать данный газ как индикатор напряженного состояния в горной выработке [21, 89]. Изучение пространственного распределения концентраций радона показало, что вблизи предельно напряженной части массива горной выработки наблюдается заметное снижение концентрации радона, а в удаленной зоне его увеличение. Такое нелинейное пространственно-временное изменение напряженно-деформированного состояния среды, и его отображения в концентрации радона позволяют получить информацию о вероятности горного удара в горной выработке.

Экологические исследования. Относительно недавно началось использование газогеохимической съемки для картирования очагов органического загрязнения на объектах добычи, хранения, транспортировки и реализации нефти и нефтепродуктов. В основе данного применения газогеохимической съемки для картирования очагов загрязнения лежит представление о том, что в районе сформировавшегося скопления поллютантов образуется область углеводородного загрязнения с формированием зоны газо- и парообразных углеводородов над уровнем жидких углеводородов [29].

Физическая сущность формирования зоны газообразных углеводородов основана на процессах испарения, которое происходит с поверхности любой жидкости. Если грунтовые воды загрязнены, то над их уровнем в зоне аэрации формируется облако пара этой загрязненной жидкости, который включается в себя как воду, так и наиболее легкие летучие вещества. В процессе образования такого облака можно выделить два процесса – испарение с жидкой поверхности и диффузию образовавшихся газов. Формирование газового облака над загрязненной поверхностью грунтовых вод есть как бы своеобразный “отклик” загрязнения подземных вод и его ответное состояние на верхнюю часть подземной гидросферы [29].

Механизм образования газовой оболочки в зоне аэрации над линзой нефтеродуктов или поверхностью загрязненных углеводородами грунтовых вод можно представить следующим образом: первая стадия – это испарение наиболее легких углеводородных молекул из жидкого состояния в воздушную оболочку зоны аэрации, приводящее к повышению их концентраций и давления над источником образования; вторая стадия – перемещение углеводородных молекул внутри воздушной оболочки зоны аэрации в сторону уменьшения концентрации и давления испарившихся молекул. В этом случае перемещение происходит вверх к поверхности земли, а также в периферийные стороны внутри зоны аэрации [29].

Мониторинговые газогеохимические наблюдение над выработанным пространством рудника БПКРУ

Использование газогеохимических методов для диагностики признаков техногененного преобразования геологической среды Верхнекамского месторождения солей базируется на наличии в породах галогенных формаций значительного количества рассеянных и связанных газов. Основная особенность состава данных газов – высокое содержание углеводородов, азота, водорода. Деформация и разрушение данных пород, приводит с одной стороны к высвобождению определенного количества связанных газов в свободную фазу, с другой к их дальнейшему перераспределению в надсолевой части разреза, оказывая существенное влияние на характер приповерхностного газового фона и формирование газогеохимических аномалий. Исходя из этого, интенсивность данных аномалий определяется соотношением количества выделившегося газа и размерами и проницаемостью образующихся трещин в надсолевой части разреза.

Наиболее реальным механизм восходящий миграции высвобождающихся газов представляется как струйный массоперенос (адвекция) в виде микропузырьков по системе взаимосвязанных пор и трещин. В природных условиях в процессе фильтрации газов большую роль играет характер пустотных пространств в породах (поры, трещины различных размеров) и их сообщаемость. В зависимости от характера проницаемости недр, обеспечивающих пути перемещения газов, и градиентов давлений, побуждающих их к движению, газ может перемещаться либо в виде дискретных газовых пузырей различных размеров, либо газовых струй (непрерывных потоков газовой фазы в трещинах) [104, 105]. Этими факторами определяется и скорость миграции, определяющая особенности формирования газовых аномалий в приповерхностной части разреза и характер их стабильности. Максимальной интенсивности эти процессы будут достигать при выщелачивании соленосного массива, когда растворение пород приводит к высвобождению в свободную фазу всех содержащихся в них газов. Последнее подтвердилось при наблюдении за развитием аварийной ситуации на БПКРУ-1 в 2006-2007 года, когда при выщелачивании солей наблюдалось высвобождение столь значительного количества газов, что содержание метана в подпочвенном воздуха за относительно короткий период (4-5 месяца) возросло в данном районе до 2-6% , а в сорбированных в почво-грунтах газов -до 7,5-20,6% [9].

Анализ накопленного материала позволил выделить следующие сигнальные уровни содержания метана в подпочвенном газе: 300 ррт - верхний предел фонового значения, отражающий природный газовый фон приповерхностной части разреза рассматриваемой территории; 300-5000 ррт - присутствие в приповерхностном газовом фоне миграционных газов, выделяющихся при деформации породного массива; свыше 5000 ррт - признаки возможного растворения соленосных отложений водой (нарушение ВЗТ).

По результатам мониторинговых исследований на участках шахтного поля БПКРУ-1 установлено, что деформация подработанного породного массива приводит к формирование зон трещиноватости, выступающих в качестве основных путей дегазации массива горных пород. Мозаичная картина распределения аномальных пикетов в пределах мульд оседания земной поверхности, свидетельствует о том, что не вся территория окаймляющая мульду оседания соответствует проницаемым участкам природно-техногенной трещиноватости .

Не смотря на кажущуюся простоту использования методов газогеохимического зондирования для идентификации в приповерхностной газовом поле признаков высвобождения газов из соляной толщи, а также выявление каналом их миграции, существует ряд методических вопросов требующих дополнительного внимания.

Особенности естественной флуктуации приповерхностного газового фона. В ходе ежемесячных мониторинговых исследований за состоянием атмосферы приповерхностной части разреза над выработанным пространством рудника БПКРУ-1, было установлено, что концентрации компонентов (метана, углеводородов) в пределах аномальных участков изменяется в продолжении одного-трех месяцев. Это указывало на достаточно быстротечную изменчивость природного газового фона при данном интервале наблюдения.

В литературе существуют упоминания об изучении вопроса временной изменчивости концентрации газовых компонентов растворенных в воде, в горных породах и приповерхностном воздухе. Однако, исследование этого вопроса весьма односторонне. Большинство данных работ основаны на интервалах исследований, не превышающих сутки, а период продолжительности наблюдений, как правило, ограничен несколькими месяцами.

С целью детального изучения временной динамики газового «дыхания» целесообразно использовать информацию станций автоматизированного мониторинга на базе экспресс-газоанализатора Ecoprobe-5. Отбор газа на данных станциях осуществляется из обсаженных перфорированной трубой шпуров глубиной 3 м, т.е. исследуется подпочвенный газ.

Каждая станция включает в себя следующие компоненты: экспресс-газоанализатор Ecoprobe-5, регистрирующим концентрации метана, суммы углеводородных газов, диоксида углерода; блок переключения подачи воздуха с автоматическим краном, обеспечивающим перенаправление забора воздуха между шпуром и атмосферным воздухом, необходимым для продувки замерной камеры прибора после замера; GSM модем для передачи информации по средствам Internet; электронный вычислительный блок, синхронизирующий работу элементов станции.

Данная комплектация обеспечивает работу станции в автоматизированном режиме, и позволяет осуществлять дистанционную двухстороннюю связь по средствам сети Internet между станциями и управляющим компьютером, с возможностью получения результатов замера на управляющий компьютер и корректировку параметров работы станций.