Геоэкологическая оценка и районирование антропогенного воздействия горнодобывающей деятельности на поверхностные и подземные воды Прикаспия

Диссертационная работа выполнена на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии геолого-географического факультета Астраханского госуниверситета.

Актуальность проблемы обусловлена научно-производственной необходимостью оценки техногенных процессов, развивающихся в атмогидролитосфере эксплуатируемого Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) и прогнозной оценки техногенных явлений перспективной на нефтегазоносность территории Астраханского При-каспия.

Цель работы состоит в разработке концептуальной эколого-гидрогеохимической модели четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений Астраханского Прикаспия.

Основные задачи исследований.

1. Разработка научно-практических моделей формирования состава подземных вод в условиях освоения нефтегазовых месторождений территории Астраханского Прикаспия по показателям минерализации, сульфатных и азотных соединений, кислых рН.

2. Выявление строения техногенной области подземных вод на территориях нефтегазового освоения в условиях аридного климата и факторов, определяющих их геоэкологическую безопасность.

3. Выявление процессов геоэкологической защищенности по гидрогеохимическому признаку четвертичного водоносного комплекса Астраханского Прикаспия от влияния освоения нефтегазовых месторождений, составляющих базовую основу геоэкологической безопасности.

4. Районирование территории Астраханского Прикаспия по гидрогеохимическим признакам геоэкологической защищенности от техногенного влияния при освоении нефтегазовых месторождений.

5. Разработка приемов решения специальных физико-химических и математических задач, дополняющих методику, принятую автором для выполнения данной работы.

6. Экспериментальное моделирование техногенных процессов на основе натурных данных.

Указанные задачи обусловлены слабой изученностью техногенных явлений и процессов на территории нефтегазового освоения и необходимостью разработки достоверных приемов решения для этих территорий задач экологической безопасности в аридных условиях. Выбор объектов исследований — £м обоснован, во-первых, тем, что эти компоненты наиболее подвержены техногенному влиянию эксплуатации нефтегазовых месторождений, имеют широкое распространение, как в природных, так и в техногенных условиях, а также слабой изученностью миграционных процессов в аридных условиях. Другие немаловажные компоненты, свойственные природно-техногенным системам территории Астраханского Прикаспия, представленные в частности микрокомпонентами рассмотрены в диссертационной работе Л. М. Фокиной (МГУ им. М.В.Ломоносова).

Фактический материал и методика исследования.

В основу исследований легли материалы, полученные при участии автора в ходе полевых и лабораторно-экспериментальных работ, проводимых ОАО «Астрахань ГАЗПРОМ» и Астраханским государственным университетом. Использованы данные кафедры гидрогеологии МГУ им. М. В. Ломоносова, а также фондовые данные ООО «АстраханьНИПИгаз», Астраханьгипроводхоза, Астраханской геологической экспедиции и др.

Основа методики исследований — естественноисторический анализ геолого-гидрогеологических и др. натурных данных, в котором используются методы генетического классифицирования, картирования, районированиялабораторного экспериментабалансовых и др. расчетовсистематизацийотдельные статистические приемы.

Научная новизна:

1. Впервые посредством обобщения большого натурного материала путём его естествен-ноисторического анализа, статистических приёмов, гидрогеохимических расчётов, картографирования, экспериментального моделирования и др. для природно-техногенных условий территории АГКМ выявлена структура техногенной области четвертичного водоносного комплекса с установившимися гидрогеодинамическими и гидрогеохимическими особенностями.

2. Впервые для территории Астраханского Прикаспия на примере АГКМ оценена ведущая роль физико-химических процессов в системах «техногенные растворы-порода зоны аэрации» и «техногенные растворы-природная подземная вода» приводящих к снижению концентраций химических компонентов в этих системах.

3. Выявлены и систематизированы процессы воздействия химических компонентов атмосферы и наземных техногенных источников на подземные воды в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

4. Разработаны принципы геоэкологической защищенности по гидрогеохимическому признаку и выполнена классификация процессов геоэкологической защищенности для условий освоения нефтегазовых месторождений в аридных областях. Предложены приемы количественной оценки процессов геоэкологической защищенности по гидрогеохимическому признаку. Осуществлено экспериментальное лабораторное моделирование, подтвердившее по ряду позиций достоверность физико-химических процессов геоэкологической защищенности, выявленных натурными исследованиями. 5. Установлено, что максимальная по величине и набору компонентов геоэкологическая защищённость приурочена к участкам формирования смесей подземных природных вод со стоками и другими техногенными растворами. Предложен метод установления границ техногенной области подземных вод.

Практическая значимость работы заключается:

В использовании результатов научно-методических разработок при планировании комплексной системы защиты природных сред Астраханского Прикаспия от влияния техногенных объектов при освоении нефтегазовых месторождений;

В ориентировании мониторинговых работ на установленные в достоверных границах области техногенного формирования подземных вод;

В учете полученных данных о геоэкологической защищенности от техногенного влияния при освоении нефтегазовых месторождений.

Финансирование научных исследований выполнялось Федеральным агентством по образованию (Шифр гранта: А04−2.13−694, 2004 г).

Защищаемые положения:

По результатам выполненной работы защищаются:

1. Концептуальная модель формирования состава подземных вод четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений посредством комплекса процессов в техногенных источниках, зоне аэрации, подземных водах, снижающих концентрацию подавляющего большинства компонентов подземных вод природного генезиса.

2. Гидрогеохимическая структура четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений представлена сочетанием природной и техногенной областей. Техногенная область состоит из подобластей: 1 — внутренняя, с геохимической неоднородностью смесей, формирующихся при смешении слабо минерализованных техногенных растворов с минерализованными подземными водами природного генезиса- 2 — внешняя, где смеси распространяются с увеличивающейся в направлении техногенного потока минерализацией до фоновойтехногенные границы для условий Астраханского Прикаспия через 5 лет приближаются к стационарным, указывающим на завершение формирования техногенного режима.

3. Типизация геоэкологической защищенности по гидрогеохимическому признаку. Значимые процессы (по характеру проявления и количественным оценкам) представлены:

1 — в зоне аэрации а) нейтрализацией кислых атмосферных осадков при сернокислотном взаимодействии с карбонатными соединениями породб) удалением из стоков аммония посредством адсорбции песками, характеризующимися значительной емкостью- 2 — в водонасьпценной части водоносного комплекса — образованием смесей с минерализацией ниже природных подземных вод (20−30 г/л) вследствие их смешения со слабоминерализованными (2−3 г/л) стоками и атмосферными осадками. 4. Районирование территории АГКМ и Астраханского Прикаспия по гидрогеохимическим признакам геоэкологической защищенности, обеспечивающей значительный процент экологической безопасности в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

Апробация работы. Основные положения работы и рекомендации апробированы на научно-практических конференциях всероссийского и международного уровня, наиболее значимые из них: VI Всероссийская научно-практическая конференция «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия» на базе Пензенской государственной сельскохозяйственной академии (Пенза, 2002) — Всероссийская научно-практическая конференция «Экологические проблемы промышленных городов» на базе Саратовского государственного технического университета (Саратов, 2003) — Всероссийская научная конференция, посвященная 200-летию Казанского государственного университета «Современные глобальные и региональные изменения геосистем» (Казань, 2004) — Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» на базе Астраханского госуниверситета (Астрахань, 2002;2005) — V Международный Симпозиум «Минералогические музеи» на базе Санкт-Петербургского государственного университета и Кри-стиан-Альберхтс-университета (Санкт-Петербург, Киль (Германия), 2005) — Международная конференция «Проблемы геологии и разведки полезных ископаемых» на базе Томского политехнического университета (Томск, 2005, 2007) — Ломоносовские чтения на кафедрах геоэкологии и гидрогеологии МГУ им. М. В. Ломоносова (Москва, 2007).

А так же были представлены на всероссийский конкурс молодых авторов в рамках международной научной конференции «Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии», 2005″ на базе Российского государственного университета им. И. М. Губкина, Научного совета по проблемам геологии и разработки месторождений нефти и газа (Отделение наук о Земле, РАН) и Института проблем нефти и газа РАН по результатам, которого Гоман A.B. был награждён как победитель конкурса молодых авторов РГУ им. И. М. Губкина и ИПНГ РАН.

Публикации. Всего опубликовано 34 работы, из них по теме диссертации 20.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы составляет 226, из них 156 страниц машинописного текста. Работа проиллюстрирована 58 рисунками, 45 таблицами и 1 схемой. Список использованной литературы включает 119 наименований, из них 6 зарубежных авторов.

Выводы по количественной оценке экспериментного моделирования:

Последовательный эксперимент (Хм): а) при углекислотным и сернокислотном растворах максимальная минерализация растворов формируется на первой минуте опытов. В дальнейшем суммарный выход компонентов из породы уменьшается в пределах каждой отдельной группы опытов с разной степенью кислотности (т.е. опытов с рН углекислотных растворов в 6,4- 4,28- 3,0 и сернокислотных растворов с рН 4,0- 3,0 за 10 и 120 минут, б) случае опытов с углекислотными растворами минерализации, сформировавшиеся за каждый период времени в группах опытов с разными рН исходных растворов возрастают по мере увеличения степени их кислотности (Табл.18). В случае опытов с сернокислотными растворами минерализации от времени опыта больше в опытах с исходными растворами с рН = 4 по сравнению с рН = 3. в) минерализация, сформировавшаяся за 131 минуту в опытах с углекислотным раствором с рН = 4,28 меньше, чем в опытах с сернокислотным раствором с рН = 4,0 (Табл.18) — в опытах с углекислотным раствором с рН = 3 — больше, чем в опытах с сернокислотным раствором с рН = 3.

Главные компоненты, образующие минерализацию сернокислотных и углекислотных растворов в опытах с рН ~ 4, — СГ > 804″ ~ НСОз" при существенном количественном преобладании выхода каждого из компонентов в сернокислотный раствор по сравнению с углекислотным.

Главные компоненты, образующие минерализацию растворов в опытах рН = 3- углекислотных НС03″ и СГ при соотношении НСОз" > СГ «3042″ - сернокислотных — СГ и НСОэ» при соотношении СГ «НСОз» > 5042″ .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выявлена техногенная область четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения АГКМ. Изучена структура техногенной области с установившимися гидрогеодинамическими и гидрогеохимическими особенностямиа) проанализированы и систематизированы общие сведения о территории Астраханского Прикаспия, на основании которых выполнена ее физико-географическая и геолого-гидрогеологическая характеристикаб) в качестве природного фонового состояния подземной гидросферы дана детальная конкретизированная гидрогеологическая характеристика четвертичного водоносного комплекса, включающая подробное всесторонне описание литологического, минерального и геохимического состава пород, условия залегания подземных вод, гидрогеодинамическую обстановку и балансовые особенности исследованного водоносного комплексав) проанализированы гидрогеохимические условия четвертичного водоносного комплекса до освоения АГКМ, характеризующие химический состав подземных вод, процессов его формирования и проведена систематика процессовг) осуществлена систематизация источников техногенного воздействия на подземную гидросферу АГКМ, проанализированы степень, масштабы и направленность техногенных преобразований подземной гидросферы.

2. Натурными режимными исследованиями обоснована практическая неизменность с середины 1991 г. общей границы распространения техногенно измененных подземных вод, обусловленная формированием структуры техногенной области, плановая граница которой имеет квазистационарный характер и близка к стационарной. Весьма целесообразно при планировании наблюдательной сети ориентироваться на положение о том, что границы техногенных областей в районах освоения нефтегазовых месторождений имеют стационарное состояние, устанавливаемыми в условиях Прикаспия с учетом технологического режима планируемых нефтегазовых комплексов, аналогичного АГКМ, по прошествии примерно пяти лет с начала освоения.

3. Установлены физико-химические процессы, приводящие к снижению концентраций химических компонентов в системах: «техногенные растворы-порода зоны аэрации» и «техногенные растворы-природная подземная вода" — а) Осуществлена систематизация процессов техногенного воздействия компонентов-загрязнителей атмосферы и наземных техногенных источников на подземные воды посредством трансформации этих компонентов в зоне аэрации и водонасыщенной части четвертичного водоносного комплексаб) наиболее существенными компонентами техногенных объектов на территории АГКМ, исходя из состава источников воздействия, представлены соединениями серы и азота в различных формах, атмосферными осадками с низкими значениями рН, характерными восстановительными условиями стоковв) всестороннее изучение процессов преобразования химических компонентов показало, что по характеру и количественно они наиболее значимо выражены в зоне аэрации и в подземных водах на участках смешения со стокамипо большинству компонентов, а также минерализации не способствуют загрязнению подземных вод. Последнее обусловлено процессами вывода компонентов-загрязнителей из стоков и нейтрализации кислых рН в пределах зоны аэрации и процессами смешения высококонцентрированных подземных вод с менее концентрированными стоками на участках утечек.

4. Оценены количественно значимые с позиций уменьшения техногенного воздействия на подземные воды процессы, проявляющиеся в зоне аэрации: адсорбция >Щ4+ и восстановление N03* в N2, нейтрализация кислых атмосферных осадков.

5. Установлено, что площадное влияние атмосферы на природные среды районов нефтегазового освоения, представленное кислыми атмосферными осадками, вследствие нейтрализации последних в пределах зоны аэрации, не имеет техногенного влияния на подземные воды.

6. Обоснована геоэкологическая защищенность подземных вод в условиях освоения нефтегазовых месторождений на примере АГКМразработаны принципы геоэкологической защищенности и выполнена классификация процессов геоэкологической защищенности в условиях освоения нефтегазовых месторождений в аридных областях. Установлено, что максимальная по величине и набору компонентов геоэкологическая защищенность по геохимическому признаку приурочена к техногенной области формирования смесей подземных природных вод со стоками и другими техногенными растворами. В геоэкологической защищенности процесс смешения действенен по отношению ко всем компонентам стоков и других загрязнителей, другие процессы (адсорбция, разные виды осаждения, нейтрализация и пр.) значимы относительно отдельных компонентов.

7. Осуществлено районирование территории Прикаспия (в пределах Астраханской области) по условиям геоэкологической защищенности четвертичного водоносного комплекса в пределах водонасыщенной его части, в зоне аэрации. В основу районирования положены пространственно-типовой принцип и характеристика процессов, обеспечивающих защищенность.

Перечень условных сокращений используемых в диссертации:

АГПЗ — Астраханский газоперерабатывающий завод;

АГХК — Астраханский газо-химический комплекс;

АГКМ — Астраханское газоконденсатное месторождение;

ВОС — водозаборные очистительные сооружения;

ЕСР — ёмкость сезонного регулирования;

ЗПО — зона полей орошения;

КК — Кряж Карпинского;

КНС — канализационные насосные станции.

КОС — комплексные очистительные сооружения;

ПБО — промышленно-бытовые отходы;

ПДК — предельно допустимая концентрация;

ПЗП — полигон захоронения промстоков;

ПШН — производственный шламонакопитель;

СЗЗ — санитарно-защитная зона;

СХУ — сельскохозяйственные угодья;

ТО — твёрдые отходы;

УШИ — установка переработки природного газа;