Эколого-геологическая характеристика месторождения минеральных солей озера Баскунчак и особенности рационального освоения его ресурсов

Актуальность работы.

Месторождение природных минеральных солей озера Баскунчак (Астраханская область) является уникальным геологическим объектом мирового масштаба.

Природно-техногенная система озера объединяет солянокупольные структуры, распространенные в пределах водосборной площади озера, поверхностные и подземные воды и озерные отложения эвапоритовой седиментации. Уникальность объекта определяется наличием механизма ежегодного природного восстановления запасов минеральных солей в озере за счет выщелачивания природными водами пород, слагающих солянокупольные структуры, и сноса в озерную котловину высокоминерализованных рассолов, где в процессе эвапоритовой седиментации происходит накопление экологически чистых пищевых солей.

Район оз. Баскунчак богат природными ресурсами: пищевыми" минеральными солями и бальнеологическими илами озера, строительными материалами. В 1997 году постановлением Правительства РФ в районе организованы Богдо-Баскунчакский заповедник и заказник. Наличие двух горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, двух поселков, бальнеологического лечебно-профилактического учреждения определяет высокую антропогенную нагрузку на природную систему оз. Баскунчак. Серьезную опасность представляет несогласованная деятельность природопользователей в пределах данной системы, что создает условия для возможного нарушения процесса естественного соленакопления в озере, сокращения геологических запасов солей, загрязнения пищевых минеральных солей терригенным материалом, снижения кондиций бальнеологических илов, активизации карстовых процессов и т. д. В связи с этим, проблема рационального освоения минеральных ресурсов озера Баскунчак представляется актуальной и определяет необходимость организации на месторождении комплекса исследований для получения фактического материала для разработки как научно-методической, так и соответствующей законодательной базы природои недропользования.

Целью работы является эколого-геологическая оценка месторождения минеральных солей оз. Баскунчак, выявление характера воздействия природных и антропогенных факторов на процессы соленакопления, разработка рекомендаций по рациональному освоению его ресурсов. Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Дана геологическая характеристика месторождения минеральных солей оз. Баскунчак;

2. Проведена оценка величины естественных ресурсов соленакопления минеральных пищевых солей;

3. Выявлена роль природных и антропогенных процессов, определяющих формирование запасов экологически чистых пищевых солей оз. Баскунчак;

4. Разработан комплекс методов эколого-геологических исследований для оценки негативных природных процессов в районе месторождения, выявления причины их активизации и определения меры по их предотвращению;

5. Построена модель режима подземных вод района для определения параметров рационального природои недропользования в условиях эксплуатации месторождения;

6. Разработаны рекомендации по рациональной эксплуатации ресурсов минеральных солей оз. Баскунчак.

Объектом исследования является природно-техногенная система оз.Баскунчак.

Предметом исследования являются природные и антропогенные процессы, определяющие устойчивость и уязвимость исследуемой природно-техногенной системы оз. Баскунчак.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые с эколого-геологических позиций изучены особенности процесса соленакопления в озере Баскунчак;

2. Впервые месторождение пищевых минеральных солей оз. Баскунчак рассмотрено как единая природная система, включающая солянокупольные структуры и слагающие их соляные породы, поверхностные и подземные воды, питающие озеро растворенными солямиозерные отложения эвапоритовой седиментации;

3. Установлены факторы, определяющие уязвимость данной природной системы в условиях возрастающей антропогенной нагрузки;

4. Предложен научно-методический комплекс эколого-геологических исследований, необходимый для изучения природно-техногенной системы озера Баскунчак;

5. Разработаны рекомендации по рациональному освоению минеральных ресурсов озера Баскунчак на основе оценки скорости накопления пищевых минеральных солей;

6. Построена гидродинамическая модель режима подземных вод;

7. Предложен новый тип особо охраняемой природной территорииэколого-геологический заказник, создание которого на территории природно-техногенной системы соляного озера позволит регламентировать антропогенную нагрузку в соответствии с целями защиты естественного ресурса соленакопления.

Основные положения, выносимые на защиту:

Первое защищаемое положение.

Месторождение озерных солей озера Баскунчак представляет собой динамически равновесную природно-техногенную систему, сформировавшуюся под влиянием экзогенных и эндогенных процессов, определяющих эколого-геологическую обстановку.

Второе защищаемое положение.

Анализ режима природных вод, выполненный на основе мониторинговых наблюдений в 2004;2007 года выявил стабильность поверхностного стока, величина которого оценивается нами в 200 — 400 тыс. т/год, а также закономерную внутригодовую изменчивость и постоянство многолетнего уровенного режима подземных вод. Величина естественных ресурсов соленакопления, с учетом поверхностного и, подземного стока, оценивается нами как 1,2−1,7 млн. т/год.

Третье защищаемое положение.

Разработанная гидродинамическая модель подземных вод позволила спрогнозировать последствия предполагаемого антропогенного влияния на природно-техногенную систему оз. Баскунчак рассчитать возможного экономический ущерб, оценить риски и обосновать ограничения хозяйственной деятельности.

Четвертое защищаемое положение.

Для регулирования хозяйственной деятельности в районе оз. Баскунчак предлагается расширить границы Богдо-Баскунчакского заказника до границы водосбора озера.

Фактический материал. Методы исследования.

В основу работы положен материал, собранный лично автором в ходе экспедиционных мониторинговых наблюдений в 2004;2007 годах.

Анализ законрмерностей гидрохимического и гидродинамического режима природных вод основан на результатах четырехлетних мониторинговых наблюдений по 40 скважинам и 22 водотокам, проведенных автором. Эколого-геологическая оценка акватории озера включала отбор проб солей, рассолов, поверхностных и подземных вод, анализ их химического состава, изучение структуры и состояния соляного пласта (37 комплексных станций) и выявление особенностей распространения и состава терригенного материала на его поверхности (101 станция).

Кроме того, были использованы многочисленные литературные и фондовые источники, включающие в себя результаты исследований предыдущих лет (1971;1975, 1986;1988 и 1990 — 1995 гг., 2002 г), выполненные при участии СПбГУ.

Практическая значимость работы,.

• Произведена количественная оценка естественного ресурса соленакопления месторождения минеральных солей озера Баскунчак на основе методов компьютерного гидрогеодинамического моделирования.

• Выявлены причины развития негативных эколого-геологических процессов на месторождении минеральных солей оз. Баскунчак и прилегающих территориях.

• Установлены условия, определяющие ограничения хозяйственной деятельности на месторождении солей и прилегающей территории.

• Разработана и апробирована система мониторинга режима подземных и поверхностных вод в зоне формирования естественных ресурсов соленакопления месторождения оз. Баскунчак;

• Предложена новая граница Богдо-Баскунчакского заказника.

Личный вклад автора состоит в сборе, анализе и обобщении материалов по эколого-геологическим особенностям вторичного соленакопления минеральных экологически чистых пищевых солей на месторождении оз. Баскунчак, а также в разработке рекомендаций по рациональному освоению его минеральных ресурсов. Автором предложен и апробирован научно-методический комплекс эколого-геологических исследований, необходимый для изучения уникальной природно-техногенной системы озера Баскунчак, обоснованы новые границы для Богдо-Баскунчакского заказника, а также предложен новый тип особо охраняемой природной территории — эколого-геологический заказник. Был произведен анализ и интерпретация собранного автором полевого и фондового материала, сделаны выводы о возможных негативных последствиях и путях их минимизации в процессе отработки месторождения.

В процессе исследований автором была проведена работа по эколого-геологической оценке влияния разработки гипсового карьера, расположенного вблизи соляного озера, на условия добычи пищевых минеральных солей озера, состояние запасов месторождения и естественных ресурсов соленакопления.

Апробация результатов исследований и публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ,' из них 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит их введения, пяти глав и заключения. Основное содержание изложено на 205 страницах, включая 48 рисунков, 23 таблицы, 7 приложений.

Список литературы

содержит 99 наименований.

Благодарности Автор выражает глубокую признательность за неоценимую помощь научному руководителю, д. г-м.н., проф. В. В. Куриленко. Автор благодарит коллектив преподавателей и сотрудников кафедры экологической геологии СПбГУ за советы, критику и внимание к работе. Отдельную благодарность автор выражает П. К. Коносавскому, С. В. Лебедеву, И. М. Хайковичу, Г. А. Иванюковичу и М. А. Холмянскому за консультации и поддержку. Автор считает своим долгом поблагодарить Е. Е. Фроловского и других сотрудников ЗАО «ВНИИ Галургии» за организационную поддержку проведенных исследований. Автор также выражает благодарность руководству и сотрудниками ОАО «Бассоль» за помощь в организации и проведении полевых и камеральных работ.

Результаты работы в рамках фильтрационной модели, которая проводилась в квазистационарной постановке, следующие: при объеме налива в балластный карьер 4000 м /сут кровля купола налива дренажных вод располагаться на уровне 20,6 м, что ниже дневной поверхности (верхнего края карьера) на 1,5 метра. При объемах налива 4500 м /сут расчетный уровень дренажных вод в центре купола налива составил 22,2 м, что соответствует абсолютным отметкам дневной поверхности в районе балластного карьера. При объеме налива равном 5000 м3/сут уровень купола налива дренажных вод значительно превышает верхний край балластного карьера.

При этом, следует подчеркнуть, что до установления квазистационарного режима в балластном карьере, объем дренажных вод будет расходоваться как на заполнение балластного карьера (450 000 м3), так и на обводнение пород под ним (V). Эта величина может быть оценена по объему пор горных пород, в которых формируется конус налива:

У=Уп*п, Уп^АН, где Упобъем горных пород, расположенных под балластным карьеромп — пористость горных пород (для песков 0,12) —? — площадь балластного карьера, соответствующая 50 га (Избулатов, Соловьева, 2003) — АН — разница между уровнем подземных вод и отметкой дневной поверхности (12 м).

Отсюда, ¥-=50*104(м2) * 12 (м) * 0,12 ~720 000 (м3).

Таким образом, общий объем балластного карьера и пор пород под ним составляет: 450 000 м3 + 720 000 (м3) ~ 1 200 000 м3.

После установления квазистационарного режима подземных вод объемы дренажных вод, сбрасываемых в балластный карьер, распределяются следующим образом:

• часть вод переместиться в оз. Баскунчак с подземным стоком -10% объема налива;

• часть вод вернется обратно в гипсовый карьер в качестве дренируемых подземных вод (согласно расчету данная величина не превышает 25% объема налива);

• часть вод (65%), будет переливаться через край балластного карьера и по дневной поверхности (по системе оврагов);

• поступать в озеро Баскунчак.

Кроме того, в зимние, а также частично весенние и осенние месяцы, когда температура поверхности земли опускается ниже нулевой отметки, просачивание в дренажных вод станет более затрудненной. При этом изливающиеся из балластного карьера воды будут сливаться в озеро Баскунчак практически полностью.

Последствия такого развития событий для месторождения минеральных солей озера Баскунчак очевидны и сводятся к разрушению и полному засорению промышленного пласта соли, то есть гибели месторождения.

4.2.2 Экологические риски, связанные с производственной откачкой вод карьера.

Последствия проведением опытно-промышленной и эксплуатационной откачкек, связаны с высокой вероятностью повышения активности карста в районе поселка в связи активизацией растворения водовмещающих гипсовых отложений. Активизация карстово-суффозионных процессов приведет к возникновению ряда проблем, таких как:

• выведение из хозяйственного оборота земельных угодий;

• усиление интенсивности просадочных явлений, а вместе с тем, разрушений зданий и построек;

• разрушение дорог, железнодорожного полотна, газопровода и прочих коммуникаций;

• повышение риска человеческим жизням.

Выведение из хозяйственного оборота земельных угодий связано с уменьшением их потенциальной ценности для хозяйственной деятельности.

В «Методике определения размеров ущерба от деградации почв и земель, утвержденной Минприроды России и Роскомземом в 1994 г.», под степенью деградации (деградированности) почв и земель понимается характеристика их состояния, отражающая ухудшение состава и свойств.

Размер ущерба рассчитывается для каждого контура деградированных почв и земель по формуле:

Ущ — (Не хКэ хКс хКп + Дх хКв) хБ, где Ущ — размер ущерба от деградации почв и земель (тыс. руб.) — Не — Нормативы стоимости освоения новых земель взамен изымаемых сельскохозяйственных угодий для несельскохозяйственных нужд (введены с 1 января 1996 г.) — Б — площадь деградированных почв и земель (га), (введены Постановлением Правительства РФ от 27.11.95 г. N 1176).

Крайней степенью деградации является уничтожение почвенного покрова и порча земель. Деградация почв и земель по каждому индикаторному показателю характеризуется пятью степенями: О недеградированные (ненарушенные) — 1 — слабодеградированные- 2 -среднедеградированные- 3 — сильнодеградированные- 4 — очень сильнодеградированные (разрушенные).

Определение степени деградации производится в соответствии показателями степени деградации почв и земель (приложение 2). Установление степени деградации почв и земель возможно по любому из предложенных индикаторных и/или дополнительных показателей. В таблице (приложением 2) курсивом выделены негативные факторы, развитие которых прогнозируется в данном районе в связи с интенсификацией карстовых процессов. Предполагаемая степень деградации — 4.0.

При деградации почв и земель в пределах особо охраняемых территорий органами исполнительной власти могут вводиться повышающие коэффициенты (Кп) к нормативам стоимости: на земли природно-заповедного фонда 3- на земли природоохранного, оздоровительного и историко-культурного назначения — 2- на земли рекреационного назначения -7,5.

Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости территории {Кэ), приведенные (см. приложение 3), вводятся для учета суммарного воздействия, оказываемого деградацией почв и земель на экологическую обстановку. Район, расположенный южнее пос. Нижний Баскунчак, относится к Богдо-Баскунчакскому государственному заповеднику, а значит для данной территории вводится соответствующий повышающий коэффициент Кэ.

Территориальные органы Минприроды России и Роскомзема совместным решением осуществляют корректировку коэффициентов, а также вводят необходимые показатели по типам деградации почв и земель исходя из природно-климатических условий.

При расчете размеров ущерба от деградации почв и земель, нанесенного их собственнику, учитывается потеря ежегодного дохода (Дх), который исчисляется по фактическим объемам производства в натуральном выражении в среднем за 5 лет и ценам, действующим на момент определения размеров ущерба. Размер ежегодного дохода рассчитывается с привлечением данных налоговых инспекций и в необходимых случаях корректируется в расчете на предстоящий период в соответствии со сложившимися темпами инфляции. В зависимости от периода времени по восстановлению деградированных почв и земель, которое устанавливается землеустроительным проектом, вводится коэффициент пересчета (Кв), (приложение 4). Для определения размера ущерба в зависимости от изменения степени деградации почв и земель вводятся пересчетные коэффициенты (Кс), приведенные в приложении 5, 6, а для отдельных случаев деградации почв и земель коэффициент пересчета (Кс). Используем среднее значение коэффициента пересчета дохода с сельскохозяйственных земель в зависимости от периода времени их восстановления (Кв) равным 5,6. Ранее было отмечено, что в случае активного проявления карстовых процессов, степень деградации территории может достигать 4.0. Но в данном случае правомерно применение коэффициентов, представленных в приложении 6.

Потенциальный годовой доход с данной площади (Дх) можно рассчитать в соответствии с ценой участков, установленных государственными кадастровыми службами. Данные о кадастровой стоимости земель представлены приложениях 7, 8.

В результате проведения опытно-промышленной и эксплуатационной откачки дренажных вод из гипсового карьера, в рассматриваемом районе произойдет значительное изменение гидродинамического режима подземных вод. Затронутая изменениями площадь, которая является государственным заповедником составляет около 7 км" (700 га). Отсюда, используя вышеприведенные параметры получим:

Ущ = (79 тыс. руб. * 1,9 * 3 +1,56 * 5,6)* 700га = = 375 * 106 + 61 * 106 = 3 76 млн руб.

Строительное освоение территорий, подверженных развитию карстовых процессов.

Данная проблема сопряжена с проблемой оценки закарстованности, которая сводится к выявлению условий развития карста и районированию территории по степени карстоопасности. Оценку величины ущерба от суффозионно-карстовых процессов 2п можно провести по формуле: гп=Бкп*1/8″ *К, где ?>" * - застроенная территория в п-м квадрате с активными карстовыми процессами, %- 5″ - средняя площадь одного первого этажа дома в п-м л квадрате, м — К— стоимость защитных мероприятий, руб./строение [60]. Таким образом, риск в данном случае можно рассчитать по формуле:

Я=Р*г"= Р*(8кп *К). Помимо ущерба от предотвращения развития карстовых процессов подлежат подсчету убытки от повреждения различных зданий и сооружений: водопроводов, газопроводных сетей и др., что может быть отражено показателем К.

В обобщенном виде формула может быть представлена в виде произведения затрат, связанных с предотвращением, устранением негативных последствий проявления карстовых процессов на вероятность проявления карстового процесса под строением: у где, А — активность карста (А > 1,6 воронки/ км~ в год) — Б — площадь селитебной зоны ($ 110С. —2,75 км2).

Тогда, согласно расчету, Р> 4,4 воронки /год.

Если учесть, что в селитебной зоне занимается строениями не более 50% площади, то вероятность развития карста под зданием составит соответственно более 2,2 воронок/ в год. При этом стоимость одного дома составляет около 300−450 тыс. рублей, соответственно, полный годовой риск разрушения зданий в пос. Нижний Баскунчак может быть оценён: Я> 1,6*2,2*(300* 450) ~ 1000 — 1500 тыс. руб/год. Риск разрушения строений и инфраструктуры в районе производственной откачки.

Такой риск может быть оценен по формуле: К=Р*К, где Р =А*8- А.

— у активность карста, А > 1,6 шт./ км~е год- 8 — площадь объекта.

Для вычисления риска разрушения дорог вычисляем: площадь дороги Б составляет около 0,0225 км (длина дороги Нижний Баскунчак — Верхний Баскунчак, которая попадает в предполагаемую зону интенсификации карстовых процессов, составляет около 4,5 километров, ширина 5 м.) — Кстоимость дорожных работ руб./м 3193 руб./м. Тогда для данного участка получаем: Я>1,6*4*0,0225*3193*103 = 459 тыс. руб. /год. В приложении 9 представлены цены на ремонт и постройку дорожного полотна.

Оценка индивидуального риска для жителя, проживающего в многоквартирном доме.

Такой выбор оценки риска обусловлен тем, что именно разрушение многоквартирного дома может угрожать жизни, проживающих в нем людей. Тогда, в случае, если дом имеет площадь (в), например, 0,0006 км", величина индивидуального риска будет составлять:

Р > 0,0006 км2*2,2 = 0,0132.

Необходимо отметить, что приведенные оценочные расчеты сделаны для одного многоквартирного дома, тогда как коллективный риск всего поселка будет, естественно, значительно выше (сообразно количеству домов). Размеры допустимого индивидуального риска в нашей стране определены только для норм радиационного облучения. Нормативы по определению допустимого индивидуального риска до настоящего времени отсутствуют.

Для оценки допустимых индивидуальных рисков, связанных с опасными видами деятельности, например, в Великобритании используются так называемые критерии Эшби. Они представляют собой вероятности одного фатального случая (одной смерти) в год. Характеристики критериев приемлемости риска (по Эшби) приведены в табл. 4.5. Помимо оценки индивидуальных рисков, в развитых странах активно ведутся разработки концепции монетарного выражения стоимости человеческой жизни.

Заключение

.

1. Месторождение минеральных солей озера Баскунчак является частью сложной природной системы, сформировавшейся на территории водосбора озера в результате соляной тектоники.

Ценность месторождения определяется наличием механизма ежегодного природного восстановления запасов минеральных солей.

Установившийся в течение исторического времени баланс экзогенных (климатических, гидрогеологических, гидрологических, эвапоритовых) и эндогенных (солянокупольная тектоника) процессов определяет эколого-геологическую обстановку данной динамически равновесной системы.

2. По результатам разработанного и апробированного комплекса эколого-геологических исследований охарактеризовано современное эколого-геологическое состояние системы озера, оценена величина естественных ресурсов соленакопления минеральных, экологически чистых пищевых солей (1,2−1,7 млн. т /г), и показаны последствия нерациональной эксплуатации месторождения.

3. Определены и обоснованы ограничения хозяйственной деятельности в соответствии с естественным ресурсом соленакопления, которые позволят минимизировать риск активизации негативных природных процессов при освоение ресурсов и сохранить уникальный природный объект.

4. Для корректировки существующих методов добычи озерных солей предложено и обосновано введение параметров оценки запасов месторождения: «естественные ресурсы соленакопления», «эксплуатационные запасы» .

5. Для сохранения уникального природного объекта оз. Баскунчак предложено расшироить границы Богдо-Баскунчмакского заказника до размеров водосборной площади озера;

6. Одним из методов сохранения уникальной природной системы соляного озера Баскунчак может стать введение на данной территории режима «особо охраняемой природной территории» — эколого-геологического заказника, в котором на основе данных о восстановительном потенциале системы эксплуатировались бы объекты геологической среды.