Процессы и закономерности формирования подземных вод в рифтовых структурах остаются до настоящего времени слабоизученными. А именно в них по глубоким тектоническим зонам осуществляется обмен веществом между поверхностью Земли и мантиейпроисходят наиболее существенные геологические процессы: современная вулканическая деятельность, высокая сейсмичность, повышенные значения тепловых потоков и гидротермальная активность. В результате создаются особые структурно-гидрогеологические условия, протекают специфические физико-химические процессы и формируются растворы, не существующие ни в каких других геотектонических об-становках. Подземные воды рифтовых структур являются специфичными в силу того, что их количественные и качественные характеристики на современном этапе развития рифта невозможно объяснить только существующими геолого-структурными и климатическими особенностями. Своими особенностями они обязаны соответствующему этапу эволюции рифтовой зоны, в отличие от атмогенных вод, существующих без влияния процессов рифтообра-зования. Выяснение механизма формирования природных вод в рифтовых условиях и определение роли эндогенной составляющей в этом процессе позволит объяснить специфику химического состава как подземных, так и поверхностных вод.
В последние годы роль флюидного режима в литосфере рассматривается в широком спектре геологических процессов — от геодинамических до гидросферных. Вопросы происхождения флюидов, возможности поступления флюида и воды в земную кору из мантии, количество и состав эндогенной фазы остаются остро дискуссионными.
Выбор северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны в качестве объекта исследований объясняется приуроченностью к данному региону Северо-Муйского тоннеля (СМТ), сложнейшего участка трассы Байкало.
Амурской магистрали (БАМ), который является уникальным объектом для непосредственного изучения процессов формирования подземных вод на значительных глубинах. Его высокая обводненность термальными и холодными подземными водами, изучение геологических процессов на глубинах до 300 м дают богатый фактический материал и обширные возможности для исследований. В то же время, именно обводненность является главной проблемой эксплуатации тоннеля, требующей решения.
Северо-Муйский тоннель — уникальное инженерное сооружение по многим показателям своего проектирования и строительства. По протяженности (15 км 343 м) он является самым длинным тоннелем в России и шестым — в мире. Трасса его считается одной из сложнейших в истории мирового тоннелестроения, так как пролегает в породах разной степени крепости, рассеченных многочисленными зонами разломов мощностью от 2 до 50 м с водопритоками от 10 до 1000 м /час, с напором воды до 4 МПа и колебаниями температуры воды от + 3 до + 50 °C. Строительство тоннеля началось в 1978 году, а сбойка произошла лишь в 2001. До момента сооружения тоннеля поезда следовали по обходной железнодорожной ветке длиной 54 км (рис. 1, 2), что сопровождалось большими расходами по содержанию пути и обеспечению безопасности движения, перепробег поездов при этом составлял 33 км, а общие ежегодные издержки в ценах 2003 года достигали 15 млн руб. в год. Кроме того, эксплуатация Северо-Муйского тоннеля дает возможность отказаться от двойной тяги, переведя движение поездов с высокогорной трассы обводного пути. Именно поэтому решение проблемы высокой обводненности тоннеля в настоящее время является актуальной.
Цель работы заключается в установлении процессов формирования подземных вод в рифтовых геодинамических условиях района Северо-Муйского тоннеля БАМопределении особенностей распределения водопри-токов и выявлении причин деструкции бетонной обделки тоннеля.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проанализирована история геологического развития северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны (БРЗ).
2. Выполнено разномасштабное структурно-гидрогеологическое районирование региона исследований.
3. Проведена типизация подземных вод района исследований по их составу, в том числе, детальная — района Северо-Муйского тоннеля БАМ.
4. Выполнено термодинамическое моделирование процессов формирования подземных вод в различных гидрогеологических структурах.
5. Построены термодинамические модели систем «гранит-вода» и «бетонвода».
Рис. 1 Железнодорожный серпантин в обход Северо-Муйского тоннеля.
Исходные материалы и вклад автора в решение проблемы. Работа выполнена на базе современного структурно-гидрогеологического анализа с привлечением физико-химического моделирования (программный комплекс «Селектор», разработанный в институте геохимии СО РАН под руководством доктора г.-м.н. Карпова И.К.). В ходе работы автором проводились полевые наземные и подземные исследования в Северо-Муйском тоннеле и разведочно-дренажной штольне, сопровождавшиеся детальными гидрометрическими рабогами и отбором проб воды, пород и новообразований. Макро-и микрокомпонентный анализы природных вод, в том числе ICP-MS, выполнялись в Институте геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск). Статистическая обработка результатов химических анализов с целью типизации подземных вод района исследований проводилась с использованием программы «Кластер-анализ».
Рис. 2 Обходной железнодорожный путь.
Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей формирования подземных вод района и особенностей современной обводненности СМТразработке типизации подземных вод по химическому составу, подкрепляющей выполненное детальное структурно-гидрогеологическое районированиеопределении роли глубоких разломов в формировании подземных вод и уточнении генезиса термальных трещинно-жильных подземных вод района СМТ, а также выявлении причин неустойчивости бетонной обделки тоннеля на основе результатов имитационного термодинамического моделирования.
Защищаемые положения. 1. В районе Северо-Муйского тоннеля установлено два типа подземных вод, отражающих особенности их генезиса. Первый тип объединяет подземные воды атмосферного происхождения гидрогеологических массивов, бассейнов и приповерхностных разломоввторой — это трещинно-жильные воды глубоких разломов, принципиально отличающиеся по температуре и химическому составу в связи с иными условиями образования. Основная современная обводненность тоннеля связана с разгрузкой трещинно-жильных вод приповерхностных и глубоких обводненных разломов.
2. Формирование состава подземных вод массивов, бассейнов и приповерхностных разломов обусловлено процессами взаимодействия в системе «атмогенные воды — породы гранитного состава» и сопровождается образованием минералов зоны гипергенеза. В формировании термальных вод принимает участие глубинная компонента, что проявляется в их температуре и высоких содержаниях сульфатов, Не, F, Li. Состав гранита при существующих скоростях фильтрации не способен обеспечить переход в подземные воды фиксируемых количеств этих компонентов.
3. Основная причина неустойчивости бетонной обделки тоннеля заключается в более интенсивном разрушении гранитов, по сравнению с бетоном, в результате взаимодействия с подземными водами с образованием новых гидрогенно-минеральных комплексов. Для снижения обводненности тоннеля необходимо использование клинкерного материала, способного после взаимодействия с подземными водами образовывать минеральный парагенезис, экранирующий обделку тоннеля.
Практическая значимость. Дифференцированы водопритоки на основании гидрометрических замеров в тоннеле и разведочно-дренажной штольне, выявлена ведущая роль трещинно-жильных вод в обводнении СМТ, что позволяет целенаправленно осуществлять мероприятия по водоотливу, снижению гидростатических напоров и сохранению бетонной обделки. Проведена гидрогеохимическая типизация подземных вод, подтверждающая выделение трещинно-жильных вод глубоких разломов в отдельный класс, ярко отличный от подземных вод массивов и приповерхностных разломов. Определены причины разрушения бетонной обделки.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях «Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири» (Иркутск, 2001, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии ИрГТУ (Иркутск, 2003, 2005, 2006), на XXI Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2005), на Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г. В. Богомолова (Минск, 2005), на III Межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Молодые — наукам о Земле» (Москва, 2006), на семинаре стипендиатов программы DAAD «Михаил Ломоносов» (Бонн, Германия, 2006), на Всероссийской научной конференции памяти академика Л. В. Таусона (Иркутск, 2007), на III Международной научно-практической конференции, посвященной году планеты Земля и 85-летию Республики Бурятия (Улан-Удэ, 2008), на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование» (Оренбург, 2008).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 4 статьи в научно-технических сборниках, из них 1 в рецензируемом издании из перечня ВАК, 10 статей в сборниках по материалам конференций, среди них 4 международных, 5 всероссийских и 1 региональная.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и 5 приложений. Объем работы составляет 178 стр. текста, в том числе 50 рисунков и 21 таблица.
Список литературы
включает 187 наименований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе выполнено детальное структурно-гидрогеологическое районирование в условиях Северо-Муйского тоннеля, выделены три типа гидрогеологических структур: гидрогеологические массивы, гидрогеологические бассейны и обводненные разломы с присущими им типами подземных вод и особенностями их формирования. Подтверждается факт, что основная современная обводненность Северо-Муйского тоннеля связана с разгрузкой трещинно-жильных вод приповерхностных и глубоких разломов. Это обусловлено местонахождением тоннеля в пределах Байкальской рифтовой зоны, характеризующейся высокой сейсмической активностью, которая, в свою очередь, является причиной постоянных подвижек тектонических блоков по зонам разломов, локализующих водопритоки. Особые условия обводнения существуют в интервале Ангараканской депрессии, где в формировании водопритоков принимают участие порово-пластовые воды одноименного бассейна и тре-щинно-жильные воды Ангаракан-Ковоктинского обводненного разлома. До проходки тоннеля и штольни этот интервал представлял собой зону дробления регионального Ангаракан-Ковоктинского разлома, перекрытого с поверхности аллювиальными отложениями долин рек Итыкит и Ангаракан. В процессе проходки произошел колоссальный вынос водно-грунтовой массы из разломной зоны и заполнение освободившегося пространства поверхностными четвертичными отложениями, что привело к образованию так называемой Ангараканской депрессии. Суммарные водо-притоки в разведочно-дренажную штольню в настоящее время достигают 13 400 м3/ч.
На основе структурно-гидрогеологических и гидрогеохимических данных осуществлена систематизация подземных вод района и выявлены основные закономерности формирования подземной гидросферы исследуемого региона. Установлено существование двух типов подземных вод, отражающих особенности их генезиса: первый тип объединяет подземные воды гидрогеологических массивов и приповерхностных разломов, второй тип — это трещинно-жильные воды глубоких разломов. Трещинно-жильные термальные воды глубоких разломов принципиально отличаются от подземных вод первого типа по химическому составу в связи с иными условиями образования. Определяющими факторами выступают температура, глубина формирования, а также возможное влияние мантийной составляющей, что проявляется в высоких содержаниях сульфатов, Не, F, Li. Подземные воды гидрогеологических массивов, бассейнов и приповерхностных разломов, благодаря атмоген-ному происхождению растворителя, могут быть объединены в один тип.
Для исследования особенностей формирования состава подземных вод, участвующих в обводнении тоннеля и разведочно-дренажной штольни, а также для решения проблемы деструкции бетонной обделки, использовался программный комплекс имитационного физико-химического моделирования «Селектор», созданный в Институте геохимии СО РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук И. К. Карпова. По результатам численного моделирования процесса формирования подземных вод массивов и приповерхностных разломов их состав обусловлен процессами взаимодействия в системе «атмогенные воды — породы гранитного состава» и сопровождается образованием минералов зоны гипергенеза. При этом эволюция состава фильтрата при движении вглубь массива проявляется в увеличении рН, что сказывается на растворимости Si, НСО3, Ca, Na и S и др. и зависит от скорости фильтрации (степени протекания реакции). Главный вывод сводится к установлению зависимости степени изменения состава фильтрующихся вод от степени протекания реакции. Чем выше скорость фильтрации, тем меньше степень протекания реакции, выражающаяся в меньших преобразованиях состава фильтрата. Обращает внимание тот факт, что концентрации компонентов в разгружающихся в тоннель и штольню подземных водах мас-совов и приповерхностных разломов полностью укладываются в диапазон колебаний содержаний элементов в фильтрате, полученном при моделировании. В целом он оказывается маломинерализованным, недонасыщенным и способным к агрессивному выщелачивающему воздействию на обделку тоннеля.
Моделирование процесса формирования термальных вод зон глубоких разломов, рассматриваемый по схеме нагревания атмогенных вод на глубине около 4 км при давлении 1000 бар, подъема и разгрузки в дренажной штольне, показало, что состав гранитов не способен обеспечить переход необходимого количества F и Li в подземные воды, что свидетельствует об ином источнике микрокомпонентов. Таким источником в рифтовой геодинамической обстановке может являться подкоровый глубинный флюид. При этом макро-компонентный состав модельных термальных вод полностью соответствует реальному составу подземных вод на ПК 7861 и воде Окусиканского источника.
Также в работе описаны основные этапы взаимодействия в системе «вода-порода», определена роль бетонной обделки тоннеля в преобразовании состава и свойств подземных вод. На основании термодинамического моделирования установлено, что подземные воды Северо-Муйского тоннеля при прочих равных условиях обладают более деструктивным воздействием на вмещающие породы, чем на бетонную обделку тоннеля. Постоянный вынос материала из породы приводит к образованию неустойчивых участков и пустот, бетон теряет сцепление с породой и разрушается под литои гидростатическим напорами. Возможным вариантом решения проблемы может служить внешняя гидроизоляция бетонной обделки путем нагнетания органических полимеров высокой вязкости в разломные зоны гранитов. Однако это требует специальных дополнительных исследований.
