ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 5, с. 402-407
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ -
И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 556.114
О ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДЫ И ПОРОД В ВЕРХНЕКАМСКОМ
СОЛЕНОСНОМ БАССЕЙНЕ
© 2014 г. В. И. Осипов, В. П. Зверев, И. А. Костикова, Ю. А. Мамаев
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер, д. 13, стр. 2, Москва, 101000 Россия. E-mail: zverev@geoenv.ru
Поступила в редакцию 15.11.2013 г.
Гидрогеохимические особенности взаимодействия воды с растворимыми минералами рассмотрены на примере районов распространения соленосных толщ Соликамской впадины в естественных (створ проектировавшейся Верхнекамской ГЭС) и измененных (район г. Березники) природных условиях. Показано, что сохранение каменных и калийных солей возможно лишь при поддержании гидрогеохимического режима подземных вод, обеспечивающего устойчивость гипсов, фаци-ально переходящих в соляные породы и защищающих их от контакта с высоко агрессивными по отношению к ним подземными водами и соответственно от интенсивного растворения.
Ключевые слова: Верхнекамский соленосный бассейн, галит, гипс, ангидрит, кальцит, доломит, подземные воды, степень неравновесности, растворение, карстовый процесс, термодинамический анализ.
Верхнекамский соленосный бассейн, расположенный на левом берегу р. Камы между реками Вишера на севере и Яйва на юге, в геологическом отношении приурочен к Соликамской впадине Предуральского краевого прогиба со стороны Восточно-Европейской платформы. На большей части рассматриваемой территории распространены пермские отложения, отличительной чертой которых является широкое развитие соленосных формаций.
Галогенные отложения Соликамской впадины относятся к филипповскому (гипсы, карбонаты) и иреньскому (гипсы, соли) горизонтам кунгурского яруса нижний перми и нижней части соликамского горизонта (глины, мергели, соли) уфимского яруса верхней перми. Соляные породы представлены гигантской линзообразной залежью, вытянутой с севера на юг на 200 км, шириной до 50 км, площадью 6.5 тыс. км2. В составе толщи соляных пород выделяются подстилающая каменная соль (350 м), калийные соли (80 м), покровная каменная соль (18 м). Залежь калийных солей имеет протяженность 136 км, ширину до 40 км и площадь 3.5 тыс. км2. Необходимо отметить, что выше покровной каменной соли залегают терригенно-кар-бонатная (мощность 50-60 м) и соляно-мергельная (мощность до 70 м) толщи, которые содержат достаточно мощные пласты гипсов, переслаивающиеся с глинисто-мергелистыми слоями.
Вполне естественно, что гидротехническое, гражданское строительство и особенно создание шахт для добычи калийных солей существенно изменяют естественную гидрогеологическую и гидрогеохимическую обстановку и оказывают влияние на развитие современных экзогенных процессов, связанных с растворением гипсов и солей. Особенности взаимодействия процессов подземных вод с растворимыми горными породами рассмотрены на примере двух близких по возрасту и литологии пород природных объектов, расположенных на левом берегу р. Камы в ~30 км друг от друга. Это створ проектировавшейся Верхнекамской ГЭС в районе г. Соликамска, приуроченный к естественным природным условиям, и район г. Березники, находящийся под активным техногенным воздействием.
Основные хорошо растворимые породообразующие минералы - галит, гипс, ангидрит, кальцит и доломит. Растворимость кальцита, входящего в состав известняков, мергелей, мела, мрамора и т.п., составляет в дистиллированной воде 0.013 г/л, а в природных водах в зависимости от давления СО2 достигает сотню миллиграммов на 1 л. Растворимость гипса изменяется от 2.1 г/л в маломинерализованных водах до 7.3 г/л в раство-
рах NaCl. Наибольшей растворимостью обладает галит - до 318 г/л.
Для того, чтобы судить о направленности процессов взаимодействия между жидкой и твердой фазами и определить наиболее вероятные продукты этого преобразования, использованы методы термодинамического анализа. Подобный подход к изучению физико-химической эволюции природных систем в гипергенных условиях исходит из принципа парциального или частичного равновесия, сформулированного Р.А. Бартоном [4]. Справедливость этих принципов для таких неравновесных процессов, как химическое выветривание и гипергенез, подтверждена Р. Гаррелсом и Ч. Крайстом [1] и многими другими исследователями путем проверки теоретических моделей на конкретных природных объектах. Ими установлено, что методы равновесной термодинамики дают возможность изучать пути необратимой эволюции природного минералообразования.
Взаимодействие между горными породами и природными водами, к равновесию с гидрогеохимической средой которых направлено изменение минерального вещества, можно рассматривать как отдельные химические реакции. Начальные продукты этих реакций - какие-либо определенные минералы и вода, конечные - минералы, возникающие как продукт изменения первых, и ионы, а также нейтральные молекулы, перешедшие в результате взаимодействия в жидкую фазу, или, если начальное минеральное вещество полностью перешло в водный раствор, только последние.
В стандартных условиях (25°C и 1 атм.), близких к условиям поверхностных и приповерхностных частей земной коры, степень неравновесности природных вод с определенным минералом рассчитывается для конкретной системы, содержащей химические элементы, входящие в состав данного минерала, по уравнению
1 = 1§(^прод. реакц^исход. вещ)/К = lg Q/K ,
где Q - квотант реакции [1]; активности: апрод
реакц - прОДуктов реакциЩ «исход. вещ - исхОДных
реагентов, K° - константа равновесия в стандартных условиях. Степень неравновесности (I) названа Т. Пачесом [5] показателем неустойчивости (disequilibrium index).
Если величина I меньше единицы, то тем дальше находится рассматриваемая система от состояния равновесия, и тем больше неравновесность природных вод по отношению к изучаемому минералу.
При проектировании Верхнекамской (Соликамской) ГЭС были детально изучены минералогические и гидрогеохимические условия возможности сохранения хорошо растворимых горных пород в основании при фильтрации под плотиной [3].
Изученный район включает Соколовскую бра-хисинклиналь и Соликамскую брахиантиклиналь (рисунок). В разрезе Соколовской брахисинклина-ли трещины горных пород независимо от их возраста выполнены следующими минералами (сверху вниз): гидроксидами железа и марганца совместно с кальцитом, волокнистым гипсом, бесцветным галитом, розовым галитом совместно с халцедоном и мелкокристаллическим гипсом. В разрезе Соликамской брахиантиклинали зона бесцветного галита отсутствует. Кроме того, здесь над верхней границей волокнистого гипса фиксируется зона отсутствия минерального заполнения в открытых трещинах, а над кровлей розового галита отмечается зона, в которой открытые трещины мергелей только по краям иногда выполнены тонкими пластинками халцедона и корочками мелкокристаллического гипса. Ниже по разрезу залегает слой покровной каменной соли мощной 300-метровой уфимской соленосной толщи верхней перми.
Степень кольматации трещин в зависимости от минерального состава заполнителя существенно различается, обусловливая разную водопроницаемость пород. Поверхности раздела между зонами с разным составом минерального заполнителя трещин, секущие литолого-стратиграфические границы, расчленяют геологический разрез Верхнекамского района на ряд водоносных и водоупорных горизонтов.
В пределах первого (сверху) водоносного горизонта химический состав подземных вод, дренируемых р. Камой, постепенно изменяется с глубиной от гидрокарбонатных смешанного катионного состава с минерализацией 0.2-0.5 г/л через сульфатно-хлоридные натриевые (М 1.00.0 г/л) до хлоридно-натриевых (М 30-300 г/л).
Результаты термодинамического моделирования с использованием программы SOLMINEQ.88 [6], выполненные в 1990 г., показали, что все воды, за исключением нескольких проб из скважины, расположенной ближе всех к области питания водоносных горизонтов, оказались пересыщенными по отношению к кальциту и доломиту, причем насыщенность вод возрастала с глубиной. Результаты термодинамического моделирования и реальные фактические данные достаточно близки.
На рисунке показаны степень насыщенности и насыщенность подземных вод по отношению к гипсу, рассчитанные соответственно по программе SOLMINEQ.88 и по методу, предложенному в свое время одним из авторов [2]. Сопоставление результатов, полученных названными методами, показало их хорошую сходимость.
Воды первого водоносного горизонта, за исключением нескольких проб из скв. 1217 и 81,
м
140 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
ОСИПОВ и др. Соколовская брахисинклиналь
Соликамская брахисинклиналь
В
1215 1217
1250
1-1Д7(-1750) 1 -2Д5(-1750)
-1,95(-1750) ■2Д7(-1800) 1-231(-1850) ■2,51(-1850) |-244(-1850) 1-2,67(-1850) -2,76(-2100)
1-1Д4(-2100)
Степень насыщенности и насыщенность подземных вод по отношению к гипсу: 1-12 - литологическая характеристика пород (1 - песок, 2 - суглинок, 3 - песчаник, 4 - алевролит, 5 - аргиллит, 6 - глина брекчированная, извест-ковистая, 7 - глина брекчированная, доломитистая, 8 - мергель, 9 - известняк, 10 - ангидрит, 11 - гипс, 12 - каменная соль); 13-19 - состав минерального заполнения трещин горных пород (13 - гидроксиды железа и марганца совместно с кальцитом, 14 - кальцит, 15 - отсутствие минерального заполнителя в открытых трещинах, 16 - волокнистый гипс, 17 - халцедон совместно с мелкокристаллическим гипсом, 18 - бесцветный галит, 19 - розовый галит совместно с халцедоном и мелкокристаллическим гипсом); 20-21 - границы (20 - литолого-стратиграфические, 21 - поверхности раздела между зонами с разным составом минерального заполнителя трещин); 22 - интервал проведения гидрогеологического опыта (первая цифра - степень насыщенности по программе SOLMINEQ.88 [6], цифра в скобках насыщенность, мг/л по [2]; плюс - вода пересыщена, минус - не насыщена).
приуроченных к Соколовской брахисинклинали, оказались не насыщенными по отношению к гипсу. При этом выяснилось, что верхняя граница развития
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.