Актуальность проблемы обусловлена острой необходимостью выявления и оценки негативных процессов в природных средах территории Северного Прикаспия в связи с эксплуатацией Астраханского газового комплекса (АГК) и перспективностью на нефтегазовые месторождения в целом. В начальный период эксплуатации АГК (конец 80-х годов) основное внимание уделялось проблеме загрязнения речных вод как единственного источника водоснабжения. Подземные воды изучались в связи с этой проблемой. Однако задача установления формирования подземных вод для ее решения не ставиласьдля этого не было ни достаточных фактических данных, ни обоснованного подхода. В результате геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических съемочных работ (охвачена территория площадью около 1600 км2) были получены общие сведения о подземных водах. Литературные данные характеризуют изучаемые подземные воды на уровне общих представлений. Особое внимание требуется к изучению подземных вод с позиций контроля и управления их техногенными трансформациями, поскольку они могут поставлять загрязнения от промышленных объектов в поверхностные воды, являющиеся единственными источниками водоснабжения Северного Прикаспия и имеющие огромное значение для рыбного хозяйства. Подземные воды территории существенно минерализованы и для водоснабжения не пригодны.
Водоносный комплекс плейстоцена отличается сложностью строения, выражающейся в существенной литологической, геофильтрационной, гидрогеохимической и др. неоднородности. Его отличает значительная мощность отложений, формирование в течение исторического этапа в специфичных условиях, гидравлическая обособленность от залегающих ниже элементов гидрогеологического разреза, тесная (местами затрудненная) гидравлическая взаимосвязь водоносных слоев, общий характер движения и изменения химического состава подземных вод и т. д.
Водоносный комплекс плейстоцена, являясь составляющей новейшего гидрогеологического этажа, отличается приоритетом экзогенных факторов формирования: климатического, геоморфологического факторов, существенностью роли геологического строения и значительной литолого-фациальной неоднородности отложений.
Требуется значительное развитие представлений в направлении качественной и особенно количественной интерпретации сложной картины распреде.
• ления напоров и концентраций химических элементов в подземных водах в естественных условиях и при техногенном воздействии.
Решение гидрогеоэкологических вопросов включается в работу в связи с необходимостью оценки загрязнения подземных и, главное, поверхностных вод. Причем для этого применен аппарат математического моделирования, один из самых трудоемких и требующий самого серьезного теоретического обоснования. Из-за более низкой минерализации (относительно природных вод) подавляющего большинства стоков АГК при их утечках происходит уменьшение минерализации в подземных водах. Этот факт заставляет усомниться в обоснованности постановки проблемы загрязнения. Однако стоки АГК содержат много опасных загрязнителей, прежде всего микрокомпонентов (Sr, Cd, Hg), вредных органических веществ и т. д., причем в значительных концентрациях. Поэтому проблема загрязнения весьма актуальна. Моделированием осуществляется решение задачи установления потенциальной способности подземного потока переносить компоненты-загрязнители в реки.
Целью работы является исследование формирования подземных вод плейстоцена в природно-техногенных условиях Северного Прикаспия на приме-^ ре Астраханского газового комплекса.
Основные задачи исследования:
1) выявление генетически обусловленных механизмов и факторов формирования геофильтрационной среды водоносного комплекса, его строения с позиций гидрогеодинамических и гидрохимических закономерностей;
2) установление формирования химического состава подземных вод в естественных и техногенных условиях по натурным и модельным данным;
3) разработка математической модели геофильтрации и геомиграции в целях количественной оценки интенсивности водообмена в природных и техногенных условиях;
4) Обоснование факторов формирования подземных вод и характера водообмена с оценкой элементов балансовой структуры в естественных и техногенных условиях.
Фактический материал и методика исследований.
Работа выполнена по материалам исследований, проведенных лично автором в период 1989;1999г и при его участии в качестве сотрудника Астраханской партии НИЧ Геологического факультета МГУ в связи с договорными работами с РАО ГАЗПРОМ, по межотраслевой программе «Экология». При их выполнении были получены в большом объеме фактические данные о подземных водах (химическому составу, микро-, макрокомпонентам, рН, Eh и т. д.), о породах (лито-логическому, гранулометрическому составу, минералого-геохимическим и многим другим характеристикам), о геофильтрационных, гидрогеохимических и др. характеристиках водоносного комплекса плейстоцена. Также были использованы данные гидрогеологических и инженерно-геологических съемок территории АГК (И.К. Акуз, Л. Ф. Кривко, А.Е. Лютницкий), фондовые данные, данные ТИ-СИЗа, ГИПРОВОДХОЗа и др., литературные данные.
Основы методики обработки и интерпретации информации — содержательный естественноисторический анализ факторов и процессов формирования геофильтрационной среды, структуры баланса и химического состава подземных вод плейстоцена, базирующихся на принципах комплексности, системности, историчности, унифицированности. В этом подходе используются методы генетического классифицирования, картирования и районирования, математического (прогнозного и эпигнозного) моделирования, статистические и расчетно-аналитические методы.
Научная новизна.
1. Разработка методики обработки и интерпретации фактических данных для решения поставленных задач.
2. Разработан подход к схематизации строения водоносного комплекса: методики типизации пород по лотогенетическому признаку, лито-геофильтрационному строению водоносного комплекса;
3. Систематизированы источники, факторы и закономерности седименто-генеза в Каспийском бассейне в плейстоцене, пути постседиментационных изменений осадков и поровых вод;
4. Установлена литологическая, геофильтрационная, гидрогеохимическая неоднородность, их генетическая взаимосвязь;
5. Выявлены показатели, позволяющие идентифицировать условия формирования отложений и механизмы формирования литологической неоднородности. Найдены гранулометрические фракции, содержание которых определяет фильтрационные, емкостные и гидрогеохимические характеристики пород, их взаимосвязь с мощностью водоносных пластов, обусловленная особенностями распределения осадочного материала в процессе формирования пород, составляющих пласты.
6. Выявлены показатели, идентифицирующие глубины залегания отложений трансгрессивно-регрессивных циклов плейстоцена и на этой основе в пределах водоносного комплекса выделены водоносные и слабопроницаемые пласты;
7. Осуществлена типизация и районирование водоносного комплекса по литолого-геофильтрационному строению;
8. На основе полученных закономерностей взаимосвязи проводимости и мощности пластов составлены карты проводимости.
9. Выявлены и систематизированы компоненты-загрязнители от наземных объектов АГК, определены процессы загрязнения ими подземных вод;
10. Разработаны геофильтрационная и геомиграционная модели, получены геофильтрационные параметры, количественно оценены элементы баланса подземных вод (расход транзитного потока, интенсивность инфильтрации-испарения) и интенсивность водообмена в естественных и техногенных условиях.
Практическая значимость работы. Доказаны теоретическими проработками о характере гидрогеодинамических условий водоносного комплекса плейстоцена и основанном на них моделировании невозможность переноса подземными водами компонентов-загрязнителей от АГК в реки вследствие очень существенного превышения времени движения подземного потока над реальными сроками эксплуатации комплекса [7].
На основании типизации водоносного комплекса плейстоцена по литоло-го-геофильтрационному строению и гидрогеоэкологическому картированию на территории АГК выделены районы техногенного формирования подземных вод в достоверных границах.
На территории АГК при участии автора АстраханьНИПИГАЗом и партией кафедры гидрогеологии в 1980;х годах прошлого столетия организован, а в дальнейшем подлежал оптимизации гидрогеоэкологический мониторинг [31].
Обоснована и разработана структура дренажной системы на объектах АГК.
35].
Даны на основе математического моделирования прогнозные решения по гидрогеоэкологическим проблемам: трансформации состава речных вод вследствие изменения уровня воды в Каспийском море, в результате изменения режима эксплуатации и переработки сырья на АГК и др. [32,33,36].
Защищаемые положения.
1. Водоносный комплекс плейстоцена представлен отложениями четырех трансгрессивно-регрессивных этапов, образующими в разрезе и плане всего водоносного комплекса невыдержанные по простиранию различные по мощности и количеству водоносные и слабопроницаемые пласты, характеризующиеся большим литологическим (от песков до глин) разнообразием. Их формирование происходило на каждом из четырех этапов плейстоцена в относительно неглубо ководном (до 100 м) море при нарушенной (относительно стандартных условий) механической дифференциации осадочного материала-, под влиянием особенностей нарушенной дифференциации, таких как степень дифференциации, связанная с интенсивностью стокового течения крупной реки и др., происходило разграничение осадков по гранулометрическому составу. В результате определились лшогенетические типы пород: песчаные типы — пески и супеси, глинистые — суглинки, легкие глины, средние глины и тяжелые глины.
2. Подземные воды водоносного комплекса плейстоцена в естественных условиях сформировались при чрезвычайно низких скоростях фильтрации в геологическое время, оцениваемое первыми тысячелетиями, в отсутствие полного цикла водообмена в обстановке режима близкого к застойному. Это определило сохранность в пределах водоносного комплекса до настоящего времени седи-ментационных морских вод.
3. Химический состав подземных вод водоносного комплекса плейстоцена унаследован от морских вод бассейна седиментации. Увеличенная минерализация подземных вод сформировалась на этапах диагенеза в результате отжима поровых вод и при литогенезе вследствие перехода из пород ионно-солевого морского комплекса. Геофильтрационная неоднородность комплекса определила его существенную гидрогеохимическую неоднородность.
4. Формирование подземных вод в техногенных условиях определено их низкими скоростями. В связи с этим, загрязненные подземные воды могут достичь поверхностных вод только через тысячелетия.
Апробация работы. Основные результаты доложены на конференциях молодых ученых геологического факультета МГУ (1993;1995г), на межрегиональной и международной конференциях (Астрахань, 1993,1995г), на международном симпозиуме «Подземный сток в прибрежной зоне» (Москва, 1996г), в школе-семинаре «эколого-гидрогеологические и гидрологические исследования природно-техногенных систем в районах газовых и газоконденсатных месторождений» (Астрахань, 1998г). Участвовала: в разработке методического руководства по созданию экологического мониторинга за гидрогеологическими и гидрологическими условиями в районах разработки месторождений газовой промышленности (Москва, 1993г) — в составлении ОВОСа (Москва, 1996г). Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре гидрогеологии МГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в соавторстве, две работы — в печати (издание Вестник МГУ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц и 23 рисунка. Список использованной литературы содержит 67 наименований.
Заключение
.
Формирование подземных вод плейстоцена Северного Прикаспия рассматривается как единый комплексный процесс, закономерное развитие которого в геологическом времени обусловлено особенностями седиментогенеза в Каспийском морском бассейне, структурно-тектоническими и физико-географическими условиями.
Систематизация источников, путей поступления осадочного материала и главных факторов седиментогенеза Каспийского моря, всесторонний анализ закономерностей формирования и накопления в нем осадков различного литолого-геохимического облика, эволюции в геологической истории осадков и поровых вод является основой решения главных задач работы: установления литолого-геофильтрационного строения и условий водообмена водоносного комплекса плейстоцена, формирования химического состава подземных вод.
Специфика осадконакопления в Каспийском бассейне в плейстоцене проявляется: а) — в огромной скорости и значительности абсолютной массы осадковб) — в резком преобладании терригенных и биогенных осадков над хемогеннымив) — в подчиненности распределения терригенных осадков закону механической дифференциации для бассейна в целомг) — в нарушении закономерной механической дифференциации осадочного материала в Северном Каспии, проявляющейся в накоплении осадков широкого литологического спектра с резко выраженной пространственной неоднородностью, что обусловлено подавлением морских факторов факторами стока и неоднозначностью их совместного воздействия.
В структурном отношении водоносная толща плейстоцена представляет собой сложно построенный водоносный комплекс, о чем свидетельствует, главным образом, отсутствие пространственно выдержанных водоносных и слабопроницаемых слоев. Региональным водоупором является толща слабопроницаемых (преимущественно глинистых) отложений нижнего плейстоцена и верхнего эоцена общей мощностью более 150 м. Это обособляет изучаемый водоносный комплекс от залегающих ниже элементов гидрогеологического разреза. Его гид-рогеодинамическая обособленность подтверждается превышением (около 20м) напоров потока подземных вод апшеронских отложений.
Структура баланса подземных вод плейстоцена в естественных условиях следующая:
Основные виды питания: -1) транзитный поток- -2) инфильтрационное питание атмосферными осадками — дождевыми и в периоды снеготаяния, а также конденсацией влаги в песчаных массивах из-за резких суточных колебаний температур в летнее время- -3) локальная фильтрация речных вод- -4) перетекание из смежных водоносных пластов.
Основные виды разгрузки: -1) в транзитный поток на юг — юго-запад- -2) испарение, а также транспирация- -3) в реки, в период межени- -4) перетеканием в смежные водоносные пласты.
При типизации пород по литогенетическому признаку установлено, что формирование пород всех типов произошло в условиях единого морского бассейна, в относительно неглубоководных (до 100м) условиях. Различие формирования лито-генетических типов определяются различной степенью нарушения механической дифференциации осадочного материала, обусловленной существенными изменениями скорости стокового течения реки и уменьшением его транспортирующей способности под действием морских факторов (волнения, течения, сгонно-нагонных явлений, геоморфологии дна и др.).
Геофильтрационное строение водоносного комплекса характеризуется существенной неоднородностью, сложным характером распределения в пространстве выделенных литолого-генетических типов песчаных и глинистых пород, пластов, представленных выделенными типами пород и различным количеством пластов в разрезе и плане. Это определено условиями формирования на стадиях осадконакопления и диагенеза.
На основе установления закономерностей плейстоценового седиментоге-неза выделены: 1)-конкретные пласты (водоносные и слабопроницаемые), представленные определенными литогенетическими типами пород с конкретной характеристикой по мощности, границы которых не совпадают с границами этапов плейстоцена- 2) — типы литолого-геофильтрационного строения водоносного комплекса.
Подземные воды водоносного комплекса плейстоцена, характеризующиеся региональным распространением минерализованы от 15−50г/л до 30−35 г/л, состав ClS04NaMg. Исходными для них являются седиментационные воды Каспийского морского бассейна. Об этом свидетельствуют, главным образом, 1)-соответствие компонентного состава современных подземных вод и морских вод Каспийского моря 2) — единый характер компонентов подземных вод и водных вытяжек из пород.
Сохранность седиментационных вод в водоносном комплексе плейстоцена в историческом времени обеспечена его гидродинамическими условиями:
1) — низкими скоростями фильтрации (порядка 0,0001) регионального (транзитного) потока, обусловленными пологим рельефом территории- 2) — околонулевым инфильтрационным питанием водоносного комплекса. Математическим моделированием установлено, что первого цикла водообмена на исследуемой территории в этой связи не произошло. Седиментационные воды не вытеснены.
Трансформация в составе морских вод проявилась к настоящему времени в увеличении в несколько раз их минерализации в процессе диагенеза. На начальной стадии диагенеза увеличение минерализации вод связано с отжимом воды из уплотняющихся глинистых осадков. На стадии диагенеза повышению минерализации вод способствует поступление в них из пород ионно-солевого комплекса, представленного теми же компонентами, что и морская вода (хлором и натрием) и поэтому не вызывающим изменений в компонентном составе вод.
Испарение слабо участвует в увеличении минерализации седиментационных подземных вод по причине преобладающей распространенности (около 90% территории) глубин их залегания ниже критических (~ Зм), требуемых для интенсивного испарения: подтверждение этому — незасоленность пород зоны аэрации. Меньшие глубины залегания вод, являющиеся условием значительного их испарения приурочены к микропонижениям в рельефе и развиты локально.
Частичные изменения в составе подземных вод произошли в длительное геологическое время в результате процессов катионного обмена, сульфатредук-ции и одновременно процессов углекислотного выщелачивания и смешения.
Подземные воды локального распространения участвуют в питании и разгрузке вод регионального распространения. Питание вод регионального распространения осуществляется вследствие снижения напоров от центральных частей пресных слабоминерализованных линз к их периферийным частям, граничащим с водами регионального фильтрационного потока. Разгрузка вод регионального распространения — результат снижения их напоров по направлению к центральным частям рассольных линз, формирующихся на участках пониженного рельефа вследствие интенсивного испарения.
В региональном плане гидрогеохимическая неоднородность связана с геофильтрационной неоднородностьюобе определены особенностями на стадии осадконакопления и последующей историей геологического развития водоносного комплекса плейстоцена.
В техногенных условиях баланс подземных вод изменяется. Его изменения связаны с техногенным инфильтрационным питанием, связанным с наземными источниками загрязнения и подтопления. По данным моделирования оно составляет 0,18−0,0003 5м/сут.
Математическое моделирование техногенных условий водообмена показало невозможность распространения компонентов-загрязнителей подземным потоком от источников АГК до рек в течение реального срока эксплуатации АГК, так как время движения подземного потока исчисляется тысячелетиями.
