Актуальность проблемы. На многих водозаборах Среднего Урала наблюдается тревожная тенденция в изменении химического состава подземных вод. В процессе длительной эксплуатации водозаборов (более 30 лет) происходит постепенное увеличение концентрации сульфатов (с 10−20 до 100−300 мг/л), минерализации (с 0,2−0,3 до 0,7−0,9 г/л) и жесткости (с 47 ммоль/л до 8−15 ммоль/л) (рис. 1). Такое изменение химического состава подземных вод отмечается на водозаборах, каптирующих пресные подземные воды меридионально вытянутых ограниченных карбонатных структур, которые протянулись на многие сотни километров вдоль границы Горноскладчатого Урала и Западно-Сибирской низменности. Эти карбонатные структуры, располагая значительными ресурсами подземных вод, многие годы активно используются для водоснабжения городов Урала. Дальнейшая трансформация химического состава может привести к невозможности использования водозаборов по назначению. Возникнет острая проблема в обеспечении питьевой водой крупных городов, расположенных на границе Урала и Западной Сибири. Водоснабжение городов Зауралья базируется на подземных источниках. Реки региона фактически являются сточными канавами для расположенных на Урале промышленных центров и не могут рассматриваться как источники воды питьевого качества (реки Исеть и Пышма входят в число наиболее загрязненных рек России). Альтернативы подземным источникам водоснабжения для городов данного района не существует, поэтому решение проблемы качества подземных вод является весьма актуальной задачей.
Причиной описанного выше ухудшения качества подземных вод является активизация в результате водоотбора процессов окисления пирита и сернокислотного выщелачивания карбонатных пород. Наиболее изучены эти процессы на сульфидных (Смирнов, 1955; Щербина, 1955; Табаксблат, Сахарова, 1994) и угольных (Амосов, 1965) месторождениях. Однако такие явления наблюдаются на месторождениях почти всех видов полезных ископаемых, добываемых на Среднем Урале (Ковальчук и др., 1963): колчеданных, полиметаллических и золотополиметаллических, железорудных, угольных, огнеупорных глин, бокситов, известняков. Большое количество материалов по развитию процессов окисления сульфидов в различных горных породах обобщено А. И. Перельманом (Перельман, 1968).
Изменение химического состава подземных вод на водозаборах Среднего Урала, связанное с окислением пирита, рассмотрено в ряде работ (Лехов, Шваров, 1997, 2002; Фельдман, Вишняк, Рыбникова, 2001, 2002; Лехов, Вишняк, 2005). К настоящему времени сложились следующие представления об этом процессе. Карбонатные структуры, к которым приурочены рассматриваемые месторождения подземных вод, располагаются в зоне сочленения, где складчатые структуры Урала постепенно погружаются под мезо-кайнозойский осадочный чехол Западно-Сибирской плиты. Известняки и доломиты слагают нижний этаж, сверху они перекрыты мезо-кайнозойскими породами преимущественно супесчано-суглинистого состава. Полосы карбонатных пород разбиты тектоническими нарушениями на отдельные разобщенные в гидродинамическом плане блоки. Площадь блоков составляет первые десятки квадратных километров (в среднем 5×15 км). Ограниченность в плане данных гидрогеологических структур приводит к образованию в результате водоотбора глубокой депрессии. В сформировавшейся таким образом зоне аэрации оказываются мезокайнозойские осадочные породы, которые изначально содержат рассеянный пирит, образовавшийся в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий. Смена восстановительных условий на окислительные приводит к окислению сульфидных минералов. В результате образуются кислые сульфатные воды. При взаимодействии их с карбонатами кальция и магния происходит нейтрализация кислотности, а за счет поступления в раствор ионов кальция и магния наблюдается рост жесткости и минерализации. Четкая корреляция между ростом жесткости и ростом концентрации сульфат иона объясняется тем, что кальций и магний поступают в раствор в количестве, практически эквивалентном сульфат иону, образующемуся при окислении (рис. 2).
Цель и задачи исследования
Несмотря на то, что причина ухудшения качества подземных вод на рассматриваемых водозаборах известна, удовлетворительная количественная гидрогеохимическая модель данного процесса до сих пор не разработана. Без нее невозможно ни объяснить наблюдаемые количественные закономерности изменения химического состава подземных вод, ни дать прогноз развития ситуации, ни разработать мероприятия для предотвращения дальнейшего ухудшения качества подземных вод. В результате без ответа остаются ряд важных практических вопросов:
1) Когда прекратится рост концентрации сульфатов, жесткости и минерализации на действующих водозаборах и каким станет в конечном итоге химический состав воды (будет ли она пригодна для питьевого водоснабжения);
2) Обратим ли процесс изменения химического состава подземных вод и можем ли мы подавить его на действующих водозаборах (возможно ли улучшение или стабилизация качества воды на давно эксплуатируемых водозаборах путем изменения схемы или интенсивности водоотбора);
3) Какие дополнительные исследования необходимо выполнять на этапе разведки месторождений подземных вод, чтобы прогнозировать изменение качества воды в период эксплуатации;
4) Как надо эксплуатировать водозаборы в данных гидрогеологических структурах, чтобы не допускать развитие неблагоприятных геохимических процессов, связанных с окислением пирита.
Цель данной работы — разработка теоретических и методических основ для количественного моделирования процессов изменения качества воды на водозаборах, связанного с окислением пирита. Это позволит дать ответы на поставленные выше вопросы.
В задачу исследования входили: 1) Обобщение фактических и литературных данных по вопросам окисления пирита- 2) Натурные исследования, включая бурение скважин, опробования и химико-аналитические исследования- 3) Сравнительный анализ изменения химического состава подземных вод на серии водозаборов- 4) Формулировка математической модели с учетом миграции кислорода, нейтрализации серной кислоты, миграции продуктов- 5) Расчеты скорости изменения химического состава отбираемой воды за счет фактической изменчивости мощности покровных отложений.
Объект исследования. Месторождения подземных вод в ограниченных карбонатных структурах Среднего Урала характеризуются сходством геолого-гидрогеологических и геохимических условий. Рассмотреть в рамках одной работы все месторождения, где наблюдается ухудшение качества подземных вод вследствие окисления пирита, невозможно. Необходимо использовать принцип аналогии, изучив развитие процесса на одном месторождении и распространяя полученные выводы на остальные.
Базисным объектом исследования стало Полдневское месторождение подземных вод, используемое для хозяйственно-питьевого водоснабжения города Богданович. По данному месторождению в последнее время получено наибольшее количество данных. Там проводится мониторинг подземных вод, связанный с совместной эксплуатацией месторождения огнеупорных глин и водозабора. На этом объекте развитие процесса окисления пирита и сернокислотного выщелачивания может быть исследовано не только в условиях естественного сложения горных пород, но и в техногенных образованиях, связанных с горными работами (отвалы, рекультивированные и действующие карьеры). Это особенно важно, если учесть, что на Урале дренажные воды часто используются как попутное полезное ископаемое (питьевые воды), а горные работы оказывают существенное влияние на процесс окисления пирита.
Фактический материал. Геологическое строение Полдневского месторождения охарактеризовано 98 разведочными скважинами. Регулярные режимные наблюдения за химическим составом, уровнем подземных вод и величиной водоотбора на объекте проводятся с начала 60-х годов. На Полдневском месторождении действуют три водозаборных и одна дренажная скважина, работающая на слив. В отдельные периоды времени действовал забойный водоотлив Полдневского карьера. В разные годы на объекте действовало от 7 до 22 наблюдательных скважин вскрывающих породы палеозойского фундамента (основной водоносные горизонт, сложенный карбонатными породами, и ограничивающие его терригенные породы) с рядами наблюдений более 30−40 лет.
Специальные работы проводились автором на объекте с 1998 по 2002 гг в ходе работ по оценке эксплуатационных запасов подземных вод. За это время было выпущено 2 отчета. Для детального изучения зоны окисления в рамках данной работы были пробурены две скважины на покровные отложения естественного сложения (глубиной 19 и 50 м) и одна скважина на породы внутреннего отвала (глубиной 35 м) в теле рекультивированного карьера. Монолиты, отобранные в процессе бурения через 1 — 5 м (всего 31), использовались для определения водно-физических свойств, гранулометрического состава, химического состава пород, минералогического анализа, химического состава поровых растворов и растворимых компонентов. Кроме того, из данных скважин отобраны пробы воды для определения состава грунтовых вод на участке зоны окисления.
Методы исследования. Работа заключалась в обобщении и анализе многолетних наблюдений за режимом подземных вод на Полдневском месторождения, а так же в экспериментальном изучении результатов опробования скважин, вскрывающих непосредственно зону окисления. Методами математического моделирования на основе непосредственно измеренных параметров, либо данных, заимствованных из литературных источников, строилась гидрогеохимическая модель зоны окисления и области миграции продуктов окисления. Корректность построения моделей и принятых параметров определялась сравнением с данными, полученными при опробовании реальной зоны окисления, сформировавшейся на Полдневском месторождении подземных вод. Оно показало соответствие созданной модели реальным природным условиям. По результатам моделирования выполнялись прогнозы дальнейшего развития ситуации, которые необходимы для выработки рекомендаций по дальнейшей эксплуатации месторождений подземных вод данного типа и освоению новых участков, перспективных для водоснабжения.
Состав и структура работы. Работа состоит из пяти частей:
1. Описание гидрогеологических особенностей Полдневского месторождения.
2. Характеристика покровных отложений, структуры их порового пространства и закономерностей распределения пирита.
3. Математическая модель окисления пирита, преобразования и миграции продуктов окисления в покровных отложениях Полдневского месторождения.
4. Оценка интенсивности окисления пирита и выноса продуктов окисления на различных типовых разрезах в реальном диапазоне параметров методами численного моделирования. Определение лимитирующей стадии процесса.
5. Прогноз изменения химического состава воды на действующих водозаборах (на примере Полдневского и Северо-Мазулинского водозаборов).
Научная новизна. Создана комплексная модель окисления пирита в покровных отложениях с учетом преобразования и миграции продуктов реакции. В ходе проведенного исследования и в результате моделирования получено несколько довольно неожиданных выводов, касающихся месторождений подземных вод, на которых в зоне аэрации могут оказаться пиритсодержащие песчано-глинистые отложения с обычными концентрациями пирита (от 0,05 до 10 кларков или 0,025−5% весовых процентов).
Доказано, что интенсивность окисления пирита лимитируется диффузионным переносом кислорода вглубь толщи покровных отложений, поэтому на ухудшение качества подземных вод концентрация пирита практически не влияет (достаточно даже 0,05 кларка или 0,025% пирита).
Впервые установлено, что после длительной эксплуатации качество воды на водозаборах не может быть восстановлено за разумный период времени, даже если прекратить окисление пирита путем повышения уровня подземных вод. Этому препятствует значительный период водообмена, характерный для рассматриваемого типа месторождений (50−200 лет). Время прихода загрязнения к водозаборным скважинам от разных участков зоны окисления колеблется от первых лет до сотни лет, что связано с резкой изменчивостью мощности покровных отложений.
Впервые оценена роль процесса гипсообразования в зоне окисления как буфера, препятствующего катастрофическому ухудшению качества воды на питьевых водозаборах.
Впервые установлено, что при складировании пиритсодаржащих глинистых пород на поверхности земли за несколько месяцев может окислиться до 20% пирита, а для полного вымывания образовавшегося гипса инфильтрационным потоком потребуется несколько сотен лет.
Практическая значимость. В работе дан прогноз времени стабилизации и конечного химического состава подземных вод на Полдневском и Северо-Мазулинском водозаборах, которые используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения города Богданович. Разработана гидрогеохимическая модель окисления пирита и миграции продуктов окисления в водоносный горизонт. Основные параметры модели уточнены по результатам опробования покровных отложений Полдневского месторождения, поэтому она может быть использована на месторождениях — аналогах. Даны рекомендации по схемам использования дренажных вод для питьевого водоснабжения, где указана необходимость применения барражных скважин, для защиты водозаборов от загрязнения со стороны карьеров и отвалов. Кроме того, даны рекомендации по корректировке существующей методики оценки запасов на месторождениях данного типа. Показано, что допустимое понижение должно учитывать верхнюю границу распространения пород, содержащих пирит.
Результаты исследований использовались при переоценке эксплуатационных запасов Полдневского, Богдановичского и Северо-Мазулинского месторождений подземных вод и проведении мониторинга на Троицко-Байновском месторождении огнеупорных глин. На основе авторских рекомендаций в 2002 году была изменена схема Полдневского водозабора с использованием барражной скважины между карьером и водозабором. Это позволило существенно улучшить качество отбираемой воды и довести его до питьевых кондиций по жесткости (по крайней мере, на ближайшие 10−20 лет). Кроме того, для месторождений рассмотренного типа автором рекомендовано предельно допустимое понижение в процессе эксплуатации, при котором уровень воды покровных отложений находится на глубине менее 7 м. Данное ограничение связано не с ресурсным потенциалом месторождений, а с геохимическим фактором, то есть с необходимостью поддержания пиритсодержащих пород в водо-насыщенном состоянии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в 6 публикациях и 2 отчетах по оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения г. Богданович, утвержденных ТКЗ ДПР по Уральскому региону (2002, 2003), доложены на международном конгрессе ЭКВАТЭК 2002, на конференции «Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики» (С.Петербург, 2002), на Сергеевских чтениях (Москва, 2002,2005), на Ломоносовских чтениях Геологического ф-та МГУ в 2005.
Диссертационная работа выполнена под научным руководством д.г.-м.н., профессора А. В. Лехова, которому автор выражает глубокую благодарность за советы и всестороннюю помощь. Автор также благодарен директору НПФ «ПАНЭКС» к.г.-м.н. А. Л. Фельдману за организацию полевых работ по изучению зоны окисления Полдневского месторождения и директору ТЦ Уралгеомониторинг к.г.-м.н. Л. С. Рыбниковой за консультации и помощь в сборе фактического материала, а также д.г.-м.н., профессору Р. С. Штенгелову за ряд ценных критических замечаний. Большую помощь в изучении истории совместной эксплуатации карьера глин и водозабора оказал главный геолог Богдановичского ОАО «Огнеупоры» Г. И. Вольхин, которому автор очень благодарен. Автор также благодарен ведущему гидрогеологу НПФ «ПАНЭКС» Ю. А. Аристову за помощь в проведении опробования зоны окисления.
1 — дренажные воды Полдневского карьера.
2, 3 — водозаборные скважины Полдневского водозабора (2 — скв.№ 13э, 3 — скв.№№ 14э, 15э) минерализация, мг/л сульфат-ион, мг/л.
1) Северо-Восточный дренажный узел.
2) Лапчинский водозабор
3) Северо-Лапчинский водозабор
Рис. 1. Изменение химического состава подземных вод на водозаборах Среднего Урала.
Жесткость, мг-экв/л.
Рис. 2. Зависимость жесткости подземных вод от содержания сульфат иона на водозаборах в ограниченных карбонатных структурах Среднего Урала (всего 469 анализов) f"UI vfi.
3"и"иск1.
ЕЙЗЗЬЙК).
ЛФ-.ыциинснпе.
Hr.aT9Bt fcnC. ti:
ПзтиДйОвО* о* оч м rotapm.
-•JH&lyJ.
IrtOPOBCMOn,.
HcrJQw*™. л ж" Jl4 вЛО0вч"НСН1 ibjiBpjsocf tit' fle i. lOKrtjify’JNa.
Чгчцлина ' ХмВЯИЙМСССг" opaow4.
Б**аносов/.
-.COCHOBCKD*, бол Гожаиу"^.
JVimtffi^fKul WffoffHd!
Up fa'0*0 ft. 2*0.
5.6. Выводы.
По разделу 5.2:
1) Поступление загрязнения в водоносный горизонт с поверхности земли через покровные отложения может описываться схемой поршневого вытеснения, поскольку при естественной величине инфильтрации макрои микродисперсия незначительны.
2) Скорость прохождения загрязнением толщи покровных суглинистых отлоэюений мала. При обычной для средней полосы России величине инфильтрации, каждый метр пути загрязнение в среднем преодолевает за 1 — 4 года.
По разделу 5.4:
3) Средняя интенсивность образования сульфат иона на Северо-Мазулинском участке оценивается на уровне 42 мг/сут с 1 м² площади месторождения (при максимальной концентрации 140 мг/л и величине инфильтрации 0,0003 м/сут), что эквивалентно интенсивности окисления пирита 2″ 1CF4 моль/сут. На Полдневском участке интенсивность окисления пирита в два раза выше — 410'4 моль/сут (без учета техногенных ландшафтов).
4) На Северо-Мазулинском водозаборе примерно через 20 лет рост концентрации сульфат иона прекратится, достигнув значения порядка 140 мг/л. На Полдневском водозаборе концентрация будет расти еще 60−70 лет, пока не достигнет максимального значения на уровне 280 мг/л. Химический состав воды на Полдневском водозаборе станет непригодным для питьевого водоснабжения уже через 20 лет, когда жесткость превысит 10 мг-экв/л.
По разделу 5.5:
5) При ведении горных или строительных работ уже в течение первых месяцев прямого контакта с атмосферой песчано-глинистые породы, содержащие дисперсный пирит, накапливают значительное количество новообразованного гипса. Благодаря этому изменение геохимической обстановки становится практически необратимым (состав воды уже не зависит от окисления пирита, а определяется растворением новообразованного гипса). Для растворения всего гипса может потребоваться несколько сотен лет.
6) Складирование песчано-глинистых пород, содержащих дисперсный пирит, в пределах местороэюдений питьевых подземных вод может приводить к серьезному ухудшению качества воды на водозаборах (вплоть до полной потери водозабора).
Заключение
.
Результаты исследований изменения химического состава эксплуатируемых подземных вод при наличии пирита в покровных отложениях, кратко формулируются как защищаемые положения:
1. Месторождения подземных вод в ограниченных карбонатных структурах, перекрытых рыхлыми песчано-глинистыми отложениями морского происхождения, имеют ярко выраженную геохимическую специфику. При эксплуатации водозаборов происходит увеличение мощности зоны аэрации, что приводит к окислению практически всегда присутствующего в покровных отложениях дисперсного пирита (кларковое содержание на уровне 80 моль/м3), ранее находившегося под уровнем подземных вод. В результате образуется серная кислота, которая нейтрализуется карбонатной составляющей покровных отложений (кларковое содержание кальцита около 1400 моль/м3) с возможным выпадением гипса. Это вызывает увеличение жесткости и минерализации подземных вод. Окисление пирита проходит в условиях нейтральной среды.
2. При прямом контакте песчано-глинистых пород с атмосферой интенсивность окисления дисперсного пирита лимитируется ингибирующей пленкой преимущественно гидроокиси железа, образующейся на его поверхности в условиях нейтральной среды. Изначально пленка на поверхности пирита отсутствует. С ростом толщины пленки интенсивность окисления снижается. В таких условиях скорость окисления пирита практически не зависит от кинетики химической реакции, а определяется удельной площадью его поверхности и толщиной пленки. В различных песчано-глинистых покровных отложениях удельная площадь поверхности пирита составляет 5−10 м2/моль, при преобладающем средневзвешенном размере зерен 15−30 мкм.
3. Складирование песчано-глинистых пород, содержащих дисперсный пирит, в пределах месторождений питьевых подземных вод может приводить к серьезному ухудшению качества воды на водозаборах (вплоть до полной потери водозабора). За полгода контакта с атмосферой в породе может окислиться от 5 до 25% пирита и образоваться значительное количество гипса (в среднем около 4 кг на кубометр породы). Благодаря этому изменение геохимической обстановки становится практически необратимым даже если окисление пирита прекратить (состав воды уже не зависит от окисления пирита, а определяется растворением новообразованного гипса). Для растворения всего гипса может потребоваться несколько сотен лет.
4. В естественном залегании породы, содержащие пирит, располагаются на значительной глубине (10−30 м). Согласно результатам моделирования, при глубине залегания пиритсодержащих пород более 10 м интенсивность окисления перестает зависеть от концентрации пирита и размеров его зерен (в характерном диапазоне данных параметров). Интенсивность окисления лимитируется диффузией кислорода через толщу пород.
5. Рост концентрации сульфатов и жесткости на водозаборе происходит постепенно и растянут на 50 — 200 лет. Это связано в основном с различным временем миграции сульфатов через покров от зоны окисления до кровли водоносного горизонта (в зависимости от мощности покрова на разных участках месторождения).
6. При оценке запасов подземных вод в понятие «допустимое понижение» должен закладываться не только гидродинамический, но и геохимический смысл. Изменить в лучшую сторону качество воды на водозаборах, эксплуатирующихся длительное время, уже невозможно. Однако можно предотвратить ухудшение качества воды на перспективных участках, только вводимых в эксплуатацию. Для этого нужно не допускать осушения покровных отложений, содержащих пирит, или свести к минимуму площадь их осушения. Ниже естественного уровня подземных вод существует зона окисленных пород утративших пирит. Область с понижением уровня ниже окисленной зоны должна быть минимальной. Ее площадь должна рассчитываться на основании представлений о допустимом изменении состава эксплуатируемых вод.
По результатам исследований действующих водозаборов и перспективных участков определяются практические рекомендации:
На действующих водозаборах предлагается делать прогноз дальнейшего изменения химического состава воды, аналогичный тому, который выполнен для Полдневского водозабора. Прогноз позволит оценить время, в течение которого будет сохранено кондиционное качество воды. Это необходимо для своевременного принятия решений по строительству станции умягчения или переходу на другой источник водоснабжения. Прогноз выполняется при наличии необходимой информации (режимные наблюдения за уровнем, дебитом и химическим составом подземных вод, а также данные по мощности покровных отложений).
При разведке месторождений подземных вод, которые характеризуются наличием пирита в покровных отложениях, предлагается дополнительно проводить следующие виды работ:
— Поинтервальное опробование покровных отложений при бурении скважин (для количественного определения содержания пирита, форм и размеров его зерен, а так же содержания кальцита).
— Снабжение всех скважин пьезометрами на покровные отложения для оценки перепада уровней между покровом и основным водоносным горизонтом (для достоверного прогноза мощности зоны аэрации в зависимости от понижения в эксплуатируемом горизонте).
— Оценка допустимого понижения с учетом геометрии кровли пород, содержащих пирит.
Необходимо особо отметить месторождения подземных вод, в пределах которых ведется добыча твердых полезных ископаемых открытым способом. На значительной площади таких месторождений формируются техногенные ландшафты представленные карьерами, внутренними и внешними отвалами перемещенных пород. В пределах техногенных ландшафтов на поверхности земли оказываются пиритсодержащие породы, извлеченные из нижних горизонтов покровных отложений в результате горных работ. Практически на всей площади техногенных ландшафтов формируются воды равновесные с гипсом, поэтому данные площади рекомендуется исключать из области захвата питьевых водозаборов. Для этого могут использоваться барражные скважины. В ходе подготовки данной диссертационной работы автором была дана рекомендация по организации барража между Полдневским водозабором и карьером глин. Схема водоотбора была изменена, а скважина 13э с 2002 года стала использоваться как барражная. Это позволило снизить концентрацию сульфатов на водозаборе в два раза, уменьшить минерализацию и довести качество добываемой воды до питьевых кондиций по жесткости.
