Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

МОНИТОРИНГ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ВЕРХНЕКАМСКОГО СОЛЕНОСНОГО БАССЕЙНА

Белкин В.В. 1 Коноплев А.В. 2 Ковин О.Н. 3 Наумова О.Б. 3
1 ООО «ЕвроХим-Усольский калийный комбинат»
2 Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета
3 Пермский государственный национальный исследовательский университет
Оценка техногенного влияния на недра невозможна без наличия различных по масштабу целенаправленных наблюдений за объектами геологической среды, на основе результатов которых и могут быть установлены тенденции развития различных инженерно-геологических процессов, вскрыт их механизм и разработаны способы управления ими. Мониторинг геологической среды эксплуатируемых соляных месторождений осуществляется комплексом исследований, включающим дистанционное зондирование, инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, выявление связи ее деформаций с объемами добытой руды, ведение сейсмологического контроля, проведение других геофизических работ (сейсмо-, электро-, гравиразведки) на участках с аномальным строением водозащитной толщи, регистрацию гидродинамического, гидрогеохимического и газового режима подземных вод. Ведение мониторинга является необходимым условием безопасности эксплуатации и рационального использования георесурсов соленосных бассейнов.
геологическая среда
мониторинг
Верхнекамский соленосный бассейн
1. Белкин В.В. Охрана недр при разработке Верхнекамского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2002. – № 12. – С. 40-43.
2. Белкин В.В. Мониторинг геологической среды в процессе разработки калийных месторождений // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. – 2008. – № 1. – С. 49-59.
3. Белкин В.В. Состояние геологической среды Верхнекамского соленосного бассейна // Разведка и охрана недр. – 2008. – № 8. – С. 77-82.
4. Белкин В.В. Техногенная трансформация геологической среды Верхнекамского соленосного бассейна: автореф. дис. … д-ра геол.-мин. наук. – Екатеринбург, 2010. – 47с.
5. Вартанян Г.С., Куликов Г.В. Гидрогеодеформационное поле Земли. Доклады АН СССР. – 1982. – Т. 2. – С. 310-314.
6. Копп М.Л., Вержбицкий В.Е., Колесниченко А.А., Копылов И.С. Новейшая динамика и вероятное происхождение Тулвинской возвышенности (Пермское Приуралье) // Геотектоника. – 2008. – № 6. – С. 46-69.
7. Копылов И.С., Коноплев А.В., Ибламинов Р.Г., Осовецкий Б.М. Региональные факторы формирования инженерно-геологических условий территории Пермского края // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2012. – № 84. – С. 102-112.
8. Копылов И.С., Коноплев А.В. Методология оценки и районирования территорий по опасностям и рискам возникновения чрезвычайных ситуаций как основного результата действия геодинамических и техногенных процессов // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1; URL: www.science-education.ru/115-11918 (дата обращения: 03.09.2014).
9. Kovin O. Mapping of evaporite deformation in a potash mine using ground penetrating radar: Upper Kama deposit, Russia. Journal of Applied Geophysics. 2011. Т. 74. № 2-3. С. 131-141.

Проблема безопасного недропользования при разработке месторождений калийных солей является в современном индустриальном обществе как никогда актуальной. Деятельность человека, связанная с влиянием на геологическую среду, приобрела масштабы, в значительной мере сопоставимые с действием региональных природных процессов. Наиболее важным негативным последствием работы калийных рудников является их труднопрогнозируемое техногенное затопление. В мире затоплено уже более 80 соляных рудников. Оценка техногенного влияния на недра невозможна без наличия различных по масштабу целенаправленных наблюдений за объектами геологической среды (ГС), на основе результатов которых и могут быть установлены тенденции развития различных инженерно-геологических процессов, вскрыт их механизм и разработаны способы управления ими.

Методы исследований. Основные исследования выполнялись в рамках проектов «Мониторинг геологической среды Верхнекамского солеродного бассейна», при проведении которых применялись методы: анализа состояния геологической среды, в т.ч. геолого-структурных особенностей горных массивов на разных масштабных уровнях; проходки разведочных горных выработок и скважин и натурных измерений в них; комплексного анализа геологических, гидрогеологических, гидрологических, геофизических, маркшейдерских и геомеханических данных с использованием ГИС-технологий [2].

Обсуждение результатов исследований. Освоение Верхнекамского соленосного бассейна (ВКСБ) началось после его открытия в 1925 г. В настоящее время ОАО «Уралкалий» производит около 20 % от мирового объема калийных удобрений. Подземные горные работы, производимые на калийных рудниках, - основной фактор техногенного воздействия на геологическую среду ВКСБ.

К ВКСБ относится крупная площадь сплошного развития соленосных отложений с пластами каменной соли, сильвинита и карналлитовой породы в единой структуре – Соликамской впадине, расположенной в пределах Предуральского краевого прогиба и ограниченной с запада Восточно-Европейской платформой, а с востока – Западно-Уральской зоной складчатости. Она занимает площадь 11847 км2, приурочена преимущественно к левобережной части р. Камы и вытянута примерно на 200 км в меридиональном направлении и до 50 км – в широтном. Большую часть ВКСБ (Соликамской впадины) занимает Верхнекамское месторождение калийных солей, представляющее собой многопластовую залежь, вытянутую в меридиональном направлении и делящуюся субширотными структурами (Боровицкой и Дуринской) на три обособленные части: северную, центральную и южную. Площадь развития калийных солей, залегающих на глубинах до 600 м, составляет 3750 км2. В строении бассейна выделяют три существенно различных по составу комплекса пород осадочного чехла – нефтеносный подсолевой, соленосный и водоносный надсолевой.

Верхнекамское месторождение характеризуется повышенной сейсмичностью и геодинамической активностью, аномально высокими значениями скоростей современных вертикальных движений дневной поверхности, ограничено активными на современном этапе тектогенеза глубинными разломами [3].

На территории ВКСБ к основным процессам, которые приводят к нарушению устойчивости геологической среды, можно отнести очистную выемку калийных руд, добычу нефти и воды, эксплуатацию шламохранилищ, солеотвалов, работу промышленных предприятий. В процессе 80-летней эксплуатации ВКСБ горным способом в его недрах образовались сотни миллионов кубических метров пустот. В солеотвалах высотой до 100 м скопилось более 300 млн т твердых отходов, а в шламохранилищах калийных предприятий сосредоточены сотни тысяч кубометров жидких отходов. В пределах ВКСБ из надсолевых водоносных горизонтов ежесуточно откачивается 150–200 тыс. м3 подземных вод, а из подсолевых отложений добывается ежегодно несколько миллионов тонн нефти. На площади бассейна расположены три крупных водохранилища, используемых для целей технического водоснабжения. На участках складирования твердых и жидких солеотходов наблюдается засоление почв, подземных и поверхностных вод. На нескольких шахтных полях фиксировались ускоренные оседания земной поверхности. В 1986 г. в результате нарушения сплошности водозащитной толщи (ВЗТ) был затоплен рудник Третьего Березниковского калийного рудоуправления (БКРУ-3). В 2006 г. из-за нарушения целостности водозащитной толщи началось затопление рудника БКРУ-1. Затопление рудников привело к тяжелым не только технико-экономическим, но и геоэкологическим последствиям. Одним из таких последствий явилось образование на месте их затопления провалов земной поверхности. Аварии на рудниках и многочисленные сейсмические явления дают основание полагать, что различные техногенные воздействия в настоящее время переходят в наступательную, прогрессирующую стадию. Их влияние приобретает комплексный характер, охватывая не только геологическую, но и сопредельные среды (поверхностная гидросфера, атмосфера, биоресурсы и др.) [3].

Мониторинг геологической среды (МГС) предусматривает разработку рекомендаций по предотвращению или ослаблению негативных последствий антропогенной деятельности. Для Верхнекамского соленосного бассейна это могут быть рекомендации по снижению последствий ведения горных и (или) нефтедобычных работ.

Объектом МГС является участок недр, в пределах которого осуществляется изучение состояния ГС и прогноз развития различных негативных процессов и явлений под влиянием горных и нефтедобычных работ и связанной с ними промышленной инфраструктуры [8].

Целью МГС является информирование органов представительной и исполнительной властей, управления Государственным фондом недр о возможном проявлении опасных процессов при эксплуатации калийных рудников и месторождений нефти.

Основными задачами МГС и сопряженных с ней сред являются:

а) проведение систематических наблюдений за состоянием массивов горных пород в районе действующих калийных рудников и нефтедобывающих скважин, водозаборов подземных и поверхностных вод, участков проявления экзогенных и эндогенных геологических процессов для получения данных, характеризующих закономерности развития негативных явлений и факторов, их вызывающих;

б) сбор и получение данных о природных и техногенных факторах, определяющих возникновение сейсмичности, развитие процессов загрязнения поверхностных и подземных вод, почв, растительности, изменение рельефа земной поверхности;

в) анализ, обработка и хранение информации о состоянии геологической среды в разные периоды времени;

г) регулярное составление и проверка долго-, средне - и краткосрочных прогнозов активизации различных негативных процессов и явлений, в том числе прогноз чрезвычайных ситуаций, которые могут возникнуть в процессе горных работ или нефтедобычи;

д) периодическое проведение специального обследования территории Верхнекамского соленосного бассейна и оценка подверженности населенных пунктов, водозаборов, промышленных объектов негативному техногенному воздействию;

е) разработка рекомендаций по охране и рациональному использованию геологической среды.

Значительная техногенная нагрузка на недра, обусловленная добычей из них различных полезных ископаемых, наряду со сложным строением ГС, привела к существенному изменению геодинамической обстановки в регионе. В горном массиве происходят сложные процессы перераспределения и концентрации напряжений в недрах, прогноз которых с достаточной степенью достоверности известными методами пока невозможен. Недостаточная полнота изучения и контроля, в первую очередь геодинамических условий региона, может привести к проявлению техногенных землетрясений, последствия которых могут быть катастрофическими как для населения городов, так и для сохранения природных ресурсов [7]. Поэтому без постоянного комплексного изучения, анализа, оценки и прогнозирования изменений состояния геологической среды успешная хозяйственная деятельность в регионе становится практически невозможной [1].

Реализация названных задач осуществляется: путем оценки устойчивости геологической и сопредельных сред в Верхнекамском соленосном бассейне, в первую очередь на участках его многоуровневой эксплуатации (добыча калийных солей, нефти, воды); составления кратко-, средне- и долгосрочных прогнозов изменения устойчивости ГС в ВКСБ; разработки мероприятий по повышению устойчивости геологической среды и совершенствованием способов одновременной добычи солей, нефти и подземных вод [3].

Методология выявления потенциально опасных участков на калийных рудниках заключается в сборе и последующем анализе любой горно-геологической информации, касающейся отклонений в строении водозащитной толщи. В первую очередь должна анализироваться оперативная информация, источниками которой должны быть работники рудников, заметившие какие-либо аномалии (капеж, участки трещиноватости, газопроявления и т.д.). Кроме того, аномалии могут проявляться зонами ускоренных оседаний по данным маркшейдерско-геодезического мониторинга земной поверхности. Они могут быть выделены в процессе бурения разведочных скважин с поверхности – зоны неполного разреза ВЗТ, динамические разновидности каменной соли, открытые секущие трещины в ВЗТ и др. Часто они обнаруживаются при проведении геофизических исследований, например сейсморазведочных, а также при определении механических свойств пород.

Один из основных способов контроля ГС – проведение топогеодезических инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности по профильным линиям грунтовых реперов. В настоящее время на наблюдательных станциях на шахтных полях калийных рудников заложено несколько тысяч реперов. Цель наблюдений – выявление закономерностей процесса сдвижения земной поверхности в различных горно-геологических условиях.

Другой важнейший комплекс методов при ведении МГС – геофизические методы исследования. Результаты данных исследований используются для выявления потенциально опасных зон, при прогнозе возникновения и развития негативных процессов [2, 9]. В комплекс геофизических методов, используемых, в первую очередь, на участках с аномальным строением водозащитной толщи, кроме сейсмологического контроля, входит сейсмо-, электро-, гравиразведка.

Мониторинг подземной гидросферы – составная часть МГС. Его цель – изучение состояния и динамики изменения подземных и поверхностных вод под влиянием как техногенных, так и естественных факторов для обоснования мероприятий по предотвращению негативных последствий влияния горного предприятия. Необходимо отметить, что в соответствии с действующим законодательством о недрах объектный мониторинг гидросферы осуществляется в пределах горного отвода и зоны существенного влияния горного предприятия.

Основные задачи при ведении мониторинга природных вод следующие:

  • выявление гидрогеодинамических изменений в режиме надсолевых вод как индикаторов процессов, представляющих потенциальную опасность затопления для калийных рудников;
  • определение масштабов техногенного загрязнения природных вод и разработка способов его снижения.

Объектом исследования является верхняя геодинамическая зона – зона активного водообмена. Мониторинг природных вод проводится на участках складирования солеотходов по сети наблюдательных скважин и гидропостов. Наблюдения включают в себя замеры уровня и гидрохимическое опробование подземных вод в скважинах, измерения уровней, расходов воды и гидрохимическое опробование поверхностных водотоков на гидропостах и водопунктах. В результате наблюдений вокруг участков складирования солеотходов выявлены и контролируются ореолы засоления природных вод.

При существующей техногенной нагрузке на недра Верхнекамский регион отнесен в настоящее время к районам, где возможны землетрясения силой 6–7 баллов (по сейсмической шкале МSК–64 для средних грунтовых условий). Исходя из этого, создание надежной системы оперативного прогноза землетрясений представляется неотложной задачей [6]. Наиболее перспективно в этом отношении применение технологии REPS, базирующейся на слежении за эволюциями открытой Г.С. Вартаняном в 1982 г. новой разновидности естественного поля – гидрогеодеформационным полем Земли (ГГД – поле) [5].

Деформационные процессы, тектонодинамические эффекты, волновые явления, как медленно, так и пульсационно развивающиеся, мгновенно отражаются на поведении гидросферы. Контролируя ее, можно видеть текущее состояние тектонических нарушений, возникновение критических напряжений на их границах, формирование очаговых зон будущих землетрясений.

Изучение ГГД-поля основано на наблюдениях за колебаниями уровней подземных вод в скважинах, обусловленных изменениями напряженно-деформированного состояния горного массива. Кроме того, различные пликативные нарушения, зоны приразломной трещиноватости, газовые полости и другие «жесткие» и «мягкие» неоднородности в таком массиве, нарушенном горными работами, вызывают изменения в поле напряжений, растрескивание соляных пород и их дегазацию. В результате концентрация газов в вышезалегающем горизонте повышается, что также фиксируется в процессе наблюдений.

Начиная с 2000 г. измерения уровня подземных вод уровнемерами типа «ORPHIMEDES» сопровождались непрерывным контролем атмосферного давления с помощью барометра БРС-1М со стандартным интерфейсом, позволяющим подключать его к компьютеру для накопления и последующего считывания данных. Один раз в неделю из скважины № 5 мг отбирались газовые пробы. Анализ газовых проб показал, что содержание метана, газа-индикатора разрушения сильвинитовых и карналлитовых пластов, относительно высокое весной, летом, осенью (0,4-0,9 %) и низкое зимой – менее 0,4 % (рис.1).

В данном случае представляется приемлемой связь содержания метана с изменением гидростатического давления на метаносодержащие породы (с усилением питания подземных вод, например в весеннее половодье, повышенное гидростатическое давление вызывает увеличение выделения метана) [4]. Рисунок иллюстрирует характер изменения уровня подземных вод в скважине № 5 мг.

Рис. 1. Вариации уровня подземных вод и концентрации метана

Выводы. Мониторинг геологической среды эксплуатируемых соляных месторождений осуществляется комплексом исследований, включающим дистанционное зондирование, инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, выявление связи ее деформаций с объемами добытой руды, ведение сейсмологического контроля, проведение других геофизических работ (сейсмо-, электро-, гравиразведки) на участках с аномальным строением водозащитной толщи, регистрацию гидродинамического, гидрогеохимического и газового режима подземных вод. Ведение мониторинга является необходимым условием безопасности эксплуатации и рационального использования георесурсов соленосных бассейнов.

Рецензенты:

Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.


Библиографическая ссылка

Белкин В.В., Коноплев А.В., Ковин О.Н., Наумова О.Б. МОНИТОРИНГ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ВЕРХНЕКАМСКОГО СОЛЕНОСНОГО БАССЕЙНА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14596 (дата обращения: 23.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252