Введение к работе
Актуальность исследований. После распада СССР большая часть месторождений каменной и калийных солей оказались за пределами территории Российской Федерации. Это, в первую очередь, калийные месторождения Предкарпатья, Белоруссии и Средней Азии, месторождения каменной соли Закарпатья, Донбасса, Средней Азии. Разрыв экономических связей между республиками обусловил в России дефицит как в калийных солях, так и в пищевой соли.
Современные потребности сельского хозяйства требуют неуклонного увеличения производства калийных удобрений, единственным минеральным сырьем которых являются калийные соли. Для обеспечения добычи калийных агрономических руд ежегодно на требуемом уровне (90-100 млн. т) необходимо интенсифицировать производство калийных удобрений на действующих горнодобывающих предприятиях, в первую очередь, Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей, освоить и вовлечь в промышленную эксплуата-щгю Непское месторождение, соляные купола Южного Предуралья и Прикас-пия и др., а также укрепить минерально-сырьевую базу за счет доразведки известных и открытия новых месторождений калийных солей.
В свете решения этой важной народнохозяйственной задачи изучение гидрогеологических особенностей соляных залежей и карстовых процессов в них под влиянием естественных и искусственных факторов, а также горно-геологических условий эксплуатации является актуальной научной проблемой, поставленной требованиями безопасной отработки солей и охраны окл'^жаю-шей среды (ОС). Успех разработки многих соляных месторождений в решающей степени обусловлен их гидрогеологической изученностью, определяющей возможное направление карстовых процессов. Это обусловливает большую актуальность изучения соляного карста, представляющего интерес как в практическом, так и в научном отношениях.
В последнее время при расширении работ по изучению месторождений калийных солей все большее значение придается процессам их вторичного изменения под влиянием гипергенеза, последствия которого весьма важны при оценке перспектив их поисков и разведки. Особенности состава и условия залегания калийных залежей обусловлены комплексом седиментационных, диаге-нетических, катагенических и гипергенных процессов. Продукты выщелачивания калийно-магниевых солей в большинстве случаев представляют различные элювиальные эпигенетические образования (гематитовые прослои, псевдосиль-ииниты, новообразованные минералы кремнезема - кварцин и лютецит и др.), которые являются надежным поисковым признаком на эти соли.
Постоянное увеличение техногенной нагрузки вызывает дальнейшее развитие опасных гидрогеоэкологических и геологических процессов. С этой точки зрения актуальность работы определяется остротой проблемы охраны ОС при разработке месторождений в условиях соляного карста. В связи с этим
важное значение приобретают вопросы изучения гидрохимической трансформации природных вод и их охраны.
Цель и задачи исследований. Главная цель исследований - всесторонний анализ особенностей карстообразования под влиянием естественных и искусственных факторов и оценка нарушенности соляной залежи постседимента-ционными гипергенными процессами. Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
-
Восстановление палеогеографических, палеотектонических и палео-гидрогеологических условий проявления гипергенеза в периоды формирования и развития соляных месторождений.
-
Разработка методических аспектов изучения соляного палеокарста (ранний гипергенез) на основе применения литолого-стратиграфических и структурно-геоморфологических исследований и обоснование применения гидрохимического метода для познания современных карстовых процессов в солях.
-
Оценка нарушенности соляной залежи постседиментационными гипергенными процессами на основании изучения полноты нормального стратиграфического разреза и установление признаков гипергенных изменений соляных пород (зоны вторичной минерализации и замещения, наличие характерных продуктов выщелачивания калийно-магниевых солей и др.).
-
Сравнительная геоэкологическая характеристика развития соляного карста на различных месторождениях с учетом физико-географических, геологических, гидрогеологических условий и горно-технических особенностей разработки месторождений и типизация карстовых процессов в солях.
-
Обобщение и анализ фактического материала по активизации карстовых процессов под влиянием техногенных факторов в процессе разработки соляных залежей в целях безопасной эксплуатации месторождений.
6. Выявление основных причин и факторов изменения и загрязнения ОС
(в частности, гидрогеоэкологической обстановки) при разработке месторожде
ний в условиях соляного карста.
Исходные материалы и методы исследований. Для решения поставленных задач обобщены и проанализированы многочисленные литературные источники, архивные, фондовые, статистические и картографические материалы, данные мониторинга природной среды (ЛГИ, ЛГУ, МГУ, ВНИИГ, ОАО "Уралкалий", ОАО "Сильвинит" и др.). При характеристике соляных промыслов использованы материалы Центрального государственного архива древних актов, Центрального государственного архива народного хозяйства, Центрального государственного военно-исторического архива, Пермского государственного архива, Соликамского и Березниковского краеведческих музеев.
Основная часть диссертации написана по материалам, полученным в ходе исследований по геологии и гидрогеологии Верхнекамского месторождения, которые автор проводил в качестве ответственного исполнителя и руководите-
ля хоздоговорных и бюджетных тем. Работы включали гидрогеоэкологические, гидрологические и гидрохимические исследования с параллельной постановкой метеорологических наблюдений в горных выработках БКРУ-1 и СКРУ-1. Полевые работы включали описание и картирование родников, обследование участков бывших рассолопромыслов, водозаборных сооружений, режимные наблюдения за отдельными рассолопроявлениями в горных выработках на участках охранных целиков и шахтных стволов и др.), химико-аналитические работы.
Для сравнительной характеристики гидрогеоэкологических условий и процессов развития карста в разное время были проведены ознакомительные маршруты на поверхности шахтных полей и в горных выработках каменносо-ляных и калийных месторождений Южного Предуралья, Донбасса, Предкарпа-тья и Закарпатья.
Научная новизна исследований
-
Впервые за последние 30 лет (Короткевич, 1970) проведено обобщающее исследование развития соляного карста в нашей стране и за рубежом. Рассмотрены гипергенные (естественные) и техногенные процессы, возникающие при разработке соляных месторождений, предложена новая типизация соляного карста.
-
Разработаны теоретические основы и методы изучения гипергенных процессов. Так, для Верхнекамского месторождения дифференцированы продукты выщелачивания карналлитов и сильвинитов, которые позволяют ориентировочно определить мощность выщелоченных солей, а также дать оценку га-локикезных движений на различных площадях месторождения. На участках речных долин установлена генетическая связь эрозионных и карстовых форм рельефа. Деятельность гипергенных процессов проявляется только на тех структурах, которые на поверхности сопряжены с водотоками. Так, зоны сплошного развития карста приурочены к территориям с высоко развитой гидрографической сетью. Здесь характерны также эрозионно-карстовые низины с большим количеством карстовых воронок и озер с водой хлоридно-натриевого состава.
-
С гидрогеологических позиций раскрыты механизмы формирования мульд проседания (в периоды региональных перерывов в осадконакоплении, когда активизировался инфильтрационный водообмен) и условия образования в них залежей полезных ископаемых.
-
Рассмотрены вопросы формирования эрозионно-карстовых (экзотекто-нических) структур на территории. Верхнекамского соленосного бассейна и Южного Приуралья.
-
Предложен гидрохимический метод оценки современных карстовых процессов в солях, основанный на расчетах химического стока и денудации, и показана роль техногенной составляющей в активизации карстовых процессов.
Защищаемые научные положения:
1. Процессы выщелачивания соленосных пород связаны с инфнльт-
рационными этапами гидрогеологических циклов в периоды континен
тального режима на территории различных регионов. Формирование кар
стовых форм и палеокарстовых коллекторов, как правило, носит унасле
дованный характер и соответствует нескольким эпохам карстообразова-
ШІ2І.
-
Главными критериями выделения площадей проявления гипергенных процессов являются анализ полноты стратиграфического разреза соленосных отложений, основанный на палеогеографических реконструкциях, и идентификация остаточных продуктов выщелачивания калнйно-магнисвых солей.
-
Основные принципы формирования и закономерности строения различных экзотектонических структур (впадины, прогибы, мульды и пр.) и геоморфологических форм рельефа (долинообразные врезы, низины, дс-пресии и т.п.) обусловлены суммарным воздействием пшергенных и эрозионных процессов в различных тектонических обстановках и в разное время.
-
Эффективность применения гидрохимического метода оценки активности современных карстовых процессов в солях основывается на расчетах химического стока и денудации по отдельным компонентам, а роль техногенной составляющей в активизации карстообразования определяется соотношением между ними.
-
Структурные оеобенносіи калнйнй-мапшевых залежей обусловлены комплексом седиментационных, диагенетических, катагенетических и гинергенных процессов, где основная роль принадлежит явлениям гидрометаморфизма - выщелачиванию и выносу из соляных пород легкорастворимых солей, накоплению нерастворимого остатка, образованию продуктов гидратации и эпигенетических минералов
Практическое значение работы состоит в применении ее выводов и методических разработок к анализу процессов выщелачивания, развивающихся в различных соляных породах на конкретных месторождениях под влиянием естественных и антропогенных факторов. Установление особенностей развития карста на различных месторождениях составляет практическую базу совершенствования методов прогноза и устранения негативных последствий проявления антропогенного соляного карста. Выделенные типы карста, характеристика основных причин (источников) возникновения или активизации гипергенішх процессов в солях дает возможность разработать целый ряд практических рекомендаций по их прогнозированию в соответствии с конкретными гидрогеологическими, горно-геологическими условиями и технологией проведения геологоразведочных работ на протяжении всего времени освоения месторождения. Для каждого соляного месторождения в процессе его промышленного ос-
воения требуется индивидуальная методика применения противокарстовых мероприятий.
Существенным моментом при разработке месторождений является комплексная оценка состояния геологической среды (ГС), обоснование предельно-допустимых геоэкологических нагрузок и создание опережающей разработки схем ее рационального использования и эффективной охраны.
Плановость темы и реализация результатов работы. Проведенные исследования носят плановый характер. Диссертационная работа связана с выполнением научно-исследовательских работ кафедрой динамической геологии и гидрогеологии Пермского государственного университета на Верхнекамском месторождении в рамках комплексной программы Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда". Исследования выполнялись также по теме "Инженерная геология, экзогенные процессы и гидрогеология Урала и Приуралья", программам Минобразования РФ "Университеты России", "Экология Западного Урала", по планам Института карстоведения и спелеологии Русского Географического Общества РАН и др.
Часть работ проведена по хоздоговорной тематике, когда впервые были выполнены исследования с целью изучения природы рассолов, встречающихся и горных выработках Верхиекамского месторождения на Первом и Втором Бе-резниковских калийных рудниках (БКРУ-1 и БКРУ-2), Первом Соликамском калийном руднике (СКРУ-1), и оценке влияния древних рассолоподъемных скважин на современную разработку месторождения. Результаты работ изло-.:;е.чы в ряде производственных отчетов и переданы АО "Уоалкзлий" и АО "Сильвинит". Основным результатом исследований явилась "Инструкция по гидрогеологическому обслуживанию калийных рудников Верхнекамского месторождения", выпущенная ВНИИГом, которая используется на рудоуправлениях Верхнекамского месторождения.
Методика определения ежегодного прироста конденсационных рассолов в горных выработках калийных рудников Верхнекамского месторождения была апробована в условиях Непского калийного месторождения (как прогноз накопления конденсационных рассолов в горных выработках) и Соль-Илецкого месторождения каменной соли.
В 1989-1992 гг. проведены исследования но составлению экологических паспортов городов Березники и Соликамска, где основное внимание было уде-иено оценке влияния калийных предприятий на ОС. Результаты работ отражены в производственных отчетах. В 1993 г. выполнен анализ экологической обстановки на СКРУ-1, СКРУ-2 и СКРУ-3. Результаты переданы АО "Сильвинит".
Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 130 работах, в том числе двух монографиях и брошюре, а также отражены в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным научно-исследовательским темам. Результаты исследований докладывались на международных (Москва, 1984,
1997; Тбилиси, 1987; Будапешт, 1989; Свердловск, 1991; Пермь, 1992; Санкт-Петербург, 1994, 1996; Минск, 1996; Ла Шо-д'Фон (Швейцария, 1997), всесоюзных и всероссийских (Белгород, 1975; Владивосток, 1981; Горно-Алтайск, 1989; Иркутск, 1985, 1995; Киев, 1987; Ленинград, 1968, 1969, 1980; Москва, 1975, 1982, 1985, 1985; Новосибирск, 1979, 1985, 1988; Новочеркасск, 1987; Ростов-Дон, 1985; Ташкент, 1979; Тбилиси, 1978; Томск, 1995; Курск, 1995; Казань, 1996; Оренбург, 1998), региональных (Кунгур, 1972, 1988; Миасс, 1985; Свердловск, 1978, 1985, 1986, 1987, 1994; Тюмень, 1982, 1987; Уфа, 1971,1975, 1980; Екатеринбург, 1996; Магнитогорск, 1994) и других симпозиумах, совещаниях, конференциях, семинарах.
Объем її структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего S3.3 наименований. Общий объем диссертации ЬЮ страниц, из которых ЪИ- машинописного текста, сопровождающегося Л ? рисунками и SS таблицами.
Считаю обязанным выразить искреннюю признательность профессорам В.И. Копнину, Б.М. Осовецкому и Б.С. Луневу за консультации и конструктивные замечания в процессе работы над диссертацией.
