Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрогеологические особенности развития карбонатного карста Ижорской возвышенности

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеологические особенности развития карбонатного карста Ижорской возвышенности"

На правах рукописи

ЖДАНОВ СергеГ I Витальевич

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КАРБОНАТНОГО КАРСТА ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ

Специальность 25.00.07- Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

5 АиК ¿013

005542301

005542301

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский

государственный университет».

Научный руководитель -

доктор геолого-минер алогических наук, профессор

Курипенко Виталий Владимирович

Официальные оппоненты:

Судариков Сергей Михайлович доктор геолого-минералогических наук, профессор ФГБОУВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра гидрогеологии и инженерной геологии, профессор

Коносавский Павел Константинович кандидат геолого-минералогическнх наук, доцент ФГБОУВПО «Санкт-Петербургский государственный университет», кафедра гидрогеологии, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГУП «ВСЕГЕИ».

Защита диссертации состоится 26.12.2013 в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Кирьякова Ирина Геннадьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Территория Ижорской возвышенности включает крупнейшее в Ленинградской области Ижорское месторождений подземных вод, приуроченное к ордовикскому водоносному горизонту^ водовмещающими породами являются карстующиеся органогенные' пелитоморфные известняки, местами неравномерно доломитизированные. Развитие современных карстовых процессов приурочено к зоне аэрации и верхней части зоны полного водонасыщения. Использования подземных вод для водоснабжения, развитие депрессионных понижений, методичное загрязнение агрессивными стоками приводят к усилению техногенного карбонатного карста, наряду с природным карстообразованием Каждый год на территории в 1 км2 образуется от 0,01 до 0,4 нового карстового провала, который может нанести ущерб инфраструктуре, сооружениям и человеческим жизням.

Научно-методическое обоснование и оценка процессов, определяющих развитие поверхностного карбонатного карста' широко представленного в пределах территории Ижорской возвышенности, представляет теоретический и практический интерес для безопасного освоения и проживания на исследуемой территории.

Большой вклад в изучение карстовых процессов геологического строения и гидрогеологических условий на территории Ижорской возвышенности в различные года внесли-

A.C. Николаев, А. И. Короткое, , Г.С. Шарошкина, A.A. Тимонин

B.Г. Богачев, Г.Б. Савенкова, И.В. Баскова, И.М. Кривилевич В в' Антонов, Е.Л. Грейсер, Л.Е. Грейсер, В.В. Селадьина, ПК Коносавский, Р.Э. Дашко, B.A. Кальм, A.A. Рошаль, В.Г. Румынии Д. Л. Устюгов, А.Н. Воронов, P.A. Филин др.

Исследователи не уделяли достаточного внимания рассмотрению термодинамики, кинетики растворения карбонатных горных пород и гетерогенных взаимодействий на Ижорской возвышенности. Не была рассчитана скорость растворения карбонатных горных пород, не определялась равновесная

концентрация иона кальция в воде относительно горной породы. Не учитывался вклад зоны аэрации и зоны полного насыщения в процесс растворения карбонатных горных пород. Отсутствовала оценка рисков развития карстовых процессов. Таким образом, необходимы дополнительные гидрогеохимические и

гидродинамические исследования для выяснения условий

карстообразования.

Цель работы является изучение гидрогеологических особенностей и совершенствование научно-методических основ прогноза развития карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности, основанной на подсчете рисков.

Основные задачи исследований: 1. Количественная характеристика ордовикского водоносного горизонта, основанная на численной модели фильтрации. 2. Установление факторов обуславливающих развитие карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности. 3. Гидрохимическая оценка агрессивности инфильтрационных, подземных вод зоны полного насыщения. 4. Физико-химическое моделирование процесса растворения карбонатных пород 5. Оценка рисков развития карстовых процессов. 6. Совершенствование научно - методических основ прогнозирования карстовых процессов. 7. Научно-методическое обоснование принципов для построения схемы рисков.

Фактический материал и личный вклад автора

В основе работы использован материал, собранный при непосредственном участии автора в совместных работах с ГУП «Водоканал» 2004- 2007 годах и собственных исследованиях в 2012 году, включающих химическое опробование подземных вод.

Личный вклад автора состоит в сборе, анализе и обобщении материалов по геологическим, гидрогеологическим эколого-геологическим и гидрохимическим особенностям территории Ижорской возвышенности, включающие многочисленные литературные и фондовые источники. Автором произведены термодинамические и кинетические расчеты для определения глубины инфильтрации вод и определения доли растворения в зоне

аэрации и зоне полного водонасыщения. На основании установленных закономерностей развития карстовых процессов построена схема факторов обуславливающих развитие карста на Ижорской возвышенности. Рассчитаны риски развития карстовых процессов, на основании которых, построена схема рисков для территории Ижорской возвышенности.

Основные методы исследований

Экспериментальным опробованием подземных вод установлена гидрохимическая зональность инфильтрационных вод и вод зоны насыщения. Для установления термодинамических факторов растворения карбонатных горных пород и развития карстовых процессов использовались расчетные методы равновесной термодинамики. Проведен теоретический анализ минералогического состава, фильтрационных характеристик карстующихся карбонатных горных пород. Контроль термодинамических расчетов и осуществлялся в программах Geochemist's Workbench Essentials и PHREEQC версия 3. Динамика подземных вод моделировалась методом конечных разностей в Modflow (реализовано в рамках пакета Processing Modflow 5.3). Гидрохимическим моделированием определялась глубина инфильтрации агрессивных вод, и устанавливался вклад зоны аэрации и зоны насыщения в растворение карбонатных горных пород. На основе анализа рисков развития карстовых процессов совершенствовались научно - методические основы прогнозирования развития карстовых процессов, оценки ущербов и картирования рисков.

Объект исследований. Процесс развития карбонатного карста на территории Ижорской возвышенности, располагающейся на юго-западе Ленинградской области (Ломоносовский, Гатчинский, Волосовский, Кингисеппский районы).

Организации внедрения результатов исследований

Установленные закономерности развития карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности, схема рисков, а также рекомендации по снижению рисков развития карстовых процессов будут использоваться при подготовке проектов строительства новых

сооружений, реконструкции и реставрации зданий организациями: числе ООО «ПИ Геореконструкция». ЗАО «ЛенТИСИЗ», НПП «Бента», ООО «Геолстрой» установили, что проведенные в диссертации исследования будут учитываться при проведении инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий для строительства на территориях с наибольшим риском образования карста. «Комитет государственного контроля природопользования и экологической безопасности Ленинградской области» рассмотрел и рекомендовал своим сотрудникам учитывать результаты работ при проведении природоохранной деятельности. Результаты работы будут использованы для дальнейших научно-практических исследований и при проведении лекционных и практических занятий в ФГБОУВПО «Санкт-Петербургский государственный университет».

Научная новизна работы. Количественно определен вклад растворения в зоне аэрации и верхней части зоны полного насыщения в общее растворение карбонатных горных пород. Разработан метод определения глубины инфильтрации агрессивных вод на территориях с активным проявлением карстовых процессов и на не закарстованных территориях. Установлены факторы и условия, контролирующие развитие техногенного и природного современного карста. Для территории Ижорской возвышенности рассчитаны экологические риски развития карстовых процессов. Построена схема рисков.

Защищаемые положения

1. На основе полевых наблюдений и гидродинамического моделирования установлено, что природные и техногенные факторы, а именно: наличие систем трещиноватости, повышенное инфильтрационное питание, развитая зона аэрации, наличие в подземных водах повышенных концентраций углекислоты, развитие депрессионных понижений и загрязнения водоносного горизонта органическими кислотами, определили районы развития карбонатного карста в северной и центральной части Ижорской возвышенности.

2. Термодинамическим и кинетическим моделированием установлено, что инфильтрационное питание, в пределах гетерогенной системы карбонатных горных пород Ижорской возвышенности, сохраняет агрессивность и способность к растворению карбонатных пород до глубины 50 м в сильнотрещиноватых породах и до глубины 5 м в породах с фоновой трещиноватостью, при этом в зоне аэрации растворяется 53 %, а в верхней части зоны полного насыщения 47% растворяемых горных пород.

3. На основании оценки и картирования развития рисков карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности в центральной и северной части были выделены 3 области характеризующиеся наибольшими значениями рисков проявления карста.

Практическая значимость работы. 1. Установлена мощность преобладающей зоны растворения и выщелачивания карбонатных горных пород на территории Ижорской возвышенности. 2,Оценены риски развития карстовых процессов 3.Построена схема факторов отвечающих за развитие карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности. 4. Построена схема рисков развития карстовых процессов. 5. На основании проведенных исследований составлены рекомендации снижения рисков развития карстовых процессов.

Достоверность научных положений и выводов определяется большим объемом полевых, аналитических и лабораторных исследований с применением современного оборудования, а также близкой сходимостью аналитических данных с результатами других исследователей.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Шестая =азколоп,ческой геологии и рационального недропользования» (СПоГУ 2005 г.); «Седьмая школа экологической геологии и рационального недропользования» (СПбГУ 2006 г)- «Восьмая школа экологической геологии и рационального недропользования»

(СПбГУ 2007 Г.). Конференция молодых специалистов, посвященная памяти доктора геолого-минералогических наук, члена корреспондента РАН Валерия Александровича Мироненко (2010 г.); «Двенадцатая школа Экологической геологии» (СПбГУ 2012 г.); «Тринадцатая школа Экологической геологии» (СПбГУ 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 8 опубликованных работах, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ. Структура работы

Диссертация изложена на 179 страницах, состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, из 115 наименований, списка иллюстративного материала, содержит 20 рисунков, 5 таблиц. Диссертация содержит 9 приложений.

В первой главе рассматриваются основные исследования прошлых лет, и описывается современное состояние проблемы.

Во второй главе описываются физико-географические условия

Ижорской возвышенности.

В третьей главе детально рассматривается геологическое

строение территории Ижорской возвышенности.

В четвертой главе рассматриваются гидрогеологические условия территории Ижорской возвышенности.

Пятая глава посвящена рассмотрению процесса карстообразования и выделению факторов и условий развития карста на

Ижорской возвышенности.

Шестая глава посвящена рассмотрению процесса растворения горных пород, термодинамическим расчетам и гидрохимическому моделированию растворения карбонатных горных пород Ижорской

возвышенности.

Седьмая глава посвящена рассмотрению экогеологических

рисков развития карстовых процессов на территории Ижорской

возвышенности. В главе приводятся рекомендации снижения рисков

развития карстовых процессов.

В заключении обобщены основные результаты исследовании, обозначены области практического применения работы и дальнейшие направления исследований.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю, заведующему кафедрой Экологической геологии СПбГУ, Заслуженному экологу России, д.г-м.н., проф. В.В Куриленко. Автор благодарит и.о. декана геологического факультета д.г-м.н., проф. М.В. Чарыкову, , д.г.-м.н. проф. В.Г. Румынина, д.г -М.н. проф. А.Н. Воронова, к.г.-м.н. C.B. Лебедева, к.г.-м.н. A.M. Беляева, к.г.-м.н. П.С. Зеленковского, к.г.-м.н. И.И. Подлипского к.б.н. О.С. Изосимову, д.г-м.н., проф. Д.В. Гричука, к.г.-м.н. И.л' Хархордина, к.г.-м.н. A.A. Потапова за консультации и поддержку ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. На основе полевых наблюдений и гидродинамического моделирования установлено, что природные и техногенные факторы, а именно: наличие систем трещиноватости, повышенное инфильтрационное питание, развитая зона аэрации, наличие в подземных водах повышенных концентраций углекислоты, развитие депрессионных понижений и загрязнения водоносного горизонта органическими кислотами, определили районы развития карбонатного карста в северной и центральной части Ижорской возвышенности.

A.C. Николаев и Г.С. Шарошкина исследовали закономерности развития карстовых процессов, фильтрационные характеристики горных пород и морфологию карста. A.A. Рошаль создал первую численную фильтрационную модель ордовикского водоносного горизонта. В.В. Антонов, Л.Е. Грейсер и Е Л Грейсер исследовали гидрогеологические условия, запасы и ресурсы ордовикского водоносного горизонта. П.К. Коносавский и РА Филин решали гидрогеологические задачи на подробной численной модели фильтрации западной части Ижорской возвышенности. В. Г. Румынии и Д. Л. Устюгов исследовали динамику подземных вод оценивали запасы и ресурсы на численных моделях фильтрации.

Геологическое строение территории начинается с архей -нижнепротерозойского фундамента, на котором залегают отложения вендской системы и отложения палеозойской эратемы

включающие отложения кембрийской, ордовикской, девонской систем. Завершают геологический разрез четвертичные суглинки

мощностью от 0,2 до 15 м.

Карбонатные горные породы ордовикской системы, являются водовмещающей горной породой для ордовикского водоносного комплекса. Карбонатная толща мощностью от 15 до 150 м представлена карстующимися известняками разной степени доломитизации. Согласно морфолого-генетической классификации карст Ижорской возвышенности относится к типу покрытого известняково-доломитового. Поверхностные карстовые формы выражены воронками, котловинами, реже долинами, суходолами, провалами и озерами. Карстовые воронки на Ижорской возвышенности относятся к воронкам просачивания, или коррозионно-суффозионным. Пустотность связанная с карстованием известняков 1-4%, иногда 8%.

В эволюции карста Ижорского плато, в соответствии с историей геологического развития, можно выделить четыре этапа: доледниковый, ледниковый послеледниковый и современный. Современные формы проявления карста Ижорского плато, в основном связаны с последним этапом карстообразования. Все предыдущие этапы создали фон, определивший области современного распространения и возможного дальнейшего развития карста. Современный этап обуславливается усилением биогенных процессов, повышается агрессивность природных вод, что приводит к интенсификации карста. Развитие карстовых процессов связано с цикличностью метеорологических факторов и возрастающей ролью

антропогенного влияния.

Первым фактором, обусловливающим развитие и проявление карста в карбонатных породах, является трещиноватость. В структурном плане территория Ижорской возвышенности относится к северо-западному борту Московской синеклизы. Центральная и северо-западная части Ижорской возвышенности поднимается со скоростью 1,5-2,0 мм в год. При положительных значениях тектонических движений трещины

раскрываются, увеличивается мощность зоны аэрации, что влияет на увеличение поверхностных карстовых форм.

По генетической классификации трещин, в карбонатных горных породах на Ижорском плато получили развитие три основных генетических типов трещин: петрогенетические (литогенетические), тектонические и экзогенные Петрогенетические трещины напластования и первичной отдельности часто образуют в плане прямоугольные системы трещин (ромбическую решетку). Эти трещины малы по протяженности. Ширина их колеблется от 0,01 до 5 0 мм Экзогенная трещиноватость обусловлена разгрузкой выведенных на поверхность горных пород, их выветриванием и инженерной деятельностью человека. Наиболее важную и определяющую роль для процессов карстообразования играют вертикальные тектонические трещины общие. Эти трещины секут карбонатные пачки ордовикских горизонтов на всю мощность, Раскрытость их от 1 до 10 мм. Часто трещины заполнены известняково-глинистым материалом или доломитовой мукой. Крупные трещины ориентируются в двух господствующих направлениях СЗ- 320°-330'' и СВ - 30°-50°. Фильтрация в системе малых трещин Ижорской возвышенности проходит в режиме ламинарной фильтрации В приглинтовой зоне приурочены выходы мощных карстовых источников, что свидетельствует о связи магистральных подземных водотоков с трещинными зонами.

Первичная пористость (матриксная пористость не трещиноватой породы), обычно определяется как совокупность пустот, имеющих раскрытие до 0,1 мм. Поток в матриксе практически всегда ламинарный и отвечает уравнению Дарси Несмотря на главенствующий вклад первичной пористости в емкостные характеристики пород, ее вклад в подземный сток оказывается минимальным. Большая часть стока происходит по системам трещин.

Вторым фактором, обуславливающим развитие карстовых процессов, является повышенное инфильтрационное питание Динамика подземных вод ордовикского комплекса Ижорской

возвышенности исследовалась на численной модели фильтрации всей территории Ижорской возвышенности построенной коллективом ученых НИЦ Гидрогеологии ГФ СПбГУ под руководством В.Г. Румынина. При составлении модели фильтрации не учитывались области с активным проявлением карста и соответствующие ним высокие значения фильтрационных параметров. Производилась перекалибровка модели с учетом увеличенных значений коэффициентов фильтрации и инфильтрации в блоках соответствующих областям с наибольшим карстопроявлением. Калибровка модели производилась по данным об уровнях подземных вод в скважинах на территории Ижорской возвышенности и расходах подземных вод в источниках на глинте. На основании произведенного моделирования, было установлено, что развитие карстовых процессов также обуславливается расположением областей повышенного инфильтрационного питания и приурочено к понижениям в рельефе.

Третьим фактором, влияющим на развитие карстовых процессов, является агрессивность раствора, обусловленная концентрацией свободного иона водорода (-1ё[Н]=рН). В природных условиях концентрация иона водорода формируется за счет взаимодействия углекислого газа С02 (атмосферный, биогенньш) и воды с образованием неустойчивой угольный кислоты (Н2С03), которая диссоциирует на гидрокарбонат-ион (НС03) и ион водорода (Н+).

Четвертым фактором, влияющим на развитие карстовых процессов, является мощность зоны аэрации, увеличивающаяся в результате эксплуатации водоносного горизонта. При депрессионных понижениях уровней подземных вод, отмечается

усиление карстовых процессов.

Пятый фактор, влияющий на развитие карстовых процессов, проявляется в условиях техногенеза, когда концентрация свободного иона водорода зависит от загрязнения органическими кислотами с объектов животноводства и птицефабрик, что создает дополнительные условия для усиления процессов карстообразования. К органическим кислотам относятся гуминовые

кислоты, фульвокислоты, соединения с карбоксильной группой (аминокислоты, жирные, нафетновые, уроновые кислоты). Часто сброс загрязняющих веществ происходит на рельеф (поля фильтрации) или в карстовые формы рельефа, активизируя карстовые процессы. В локальных областях отмеченных интенсивным загрязнением отмечается значение рН 5.5 для инфильтрационных вод.

Взаимодействие некоторых органических кислот и кальцита описывается следующими уравнениями. 2НСООН (муравьиная кислота) + СаСОз = Са(НСОО)2 + Н2С03; 2СН3СООН (уксусная кислота) + СаСОз = Са(СН3СОО)2 + Н2С03; (СООН)2 (щавелевая кислота) + СаС03 = Са(СОО)2 + Н2С03. Во всех этих случаях выделяется угольная кислота, которая растворяет дополнительное количество карбонатов, переводя их в бикарбонаты. В целом на Ижорской возвышенности вклад техногенного загрязнения в развитие карстовых процессов незначительной, но локально может обуславливать появление карстовых форм. На основании теоретического анализа архивных материалов и собственных исследований была составлена схема причин, влияющих на развитие карстовых процессов. В обозначенных областях отмечается угроза образования карстовых форм (рисунок 1).

2. Термодинамическим и кинетическим моделированием установлено, что инфильтрационное питание, в пределах гетерогенной системы карбонатных горных пород Ижорской возвышенности, сохраняет агрессивность и способность к растворению карбонатных пород до глубины 50 м в сильнотрещиноватых породах и до глубины 5 м в породах с фоновой трещиноватостью, при этом в зоне аэрации растворяется 53 %, а в верхней части зоны полного насыщения 47% растворяемых горных пород.

Выделение области растворения карбонатных горных пород, а также исследование условий гетерогенного взаимодействия было произведено на основании термодинамического моделирования в гетерогенной системе.

Ордовикский водоносный комплекс активно используется для водоснабжения, эксплуатационные ресурсы, оцениваются в 400 - 700 тыс. м3 сут. Питание горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Подземные воды зоны насыщения гидрокарбонатно-кальциевого состава, жесткие и умеренно-жесткие, пресные с минерализацией 0,5-0,8 г/л. Общая жесткость составляет 4-8 мг-экв/л, рН 7,2-7,6. Изменения макро компонентного химического состава подземных вод ордовикского комплекса в плане приводятся на рисунке 2. Горизонт не защищен от поверхностного загрязнения.

Основными загрязнителями являются соединения азота и органические кислоты, концентрация которых растет из года в год. Также отмечается загрязнение микрокомпонентами Cr, Fe, Zn, Р и др. Уровень подземных вод ордовикского водоносного горизонта варьирует от 5 м до 25 м (абс. отм. 80-130 м). Разгрузка в виде источников на севере территории и под девонские отложения на юге.

Известняки Ижорской возвышенности на 75%-90% состоят из кальцита. Определялась равновесная концентрация кальция в воде относительно преобладающего минерала - кальцита (СаСОз). Для расчетов была принята средняя годовая температура подземной воды равная 10°С. Расчеты основываются на гидрогеохимических опробованиях, проведенных на территории Ижорской возвышенности. Для детального понимания факторов и зависимостей, приводящих к растворению горных пород, термодинамические расчеты производились вручную. На основании термодинамического моделирования, рассчитана равновесная концентрация иона кальция в воде, которая составляет тСа2+=0,0021 М/кг. Единицы измерения - моляльности. Фактическая средняя концентрация иона кальция в подземных водах ордовикского водоносного горизонта в областях разгрузки и транзита составляет 0,00214 М/кг, а концентрация в атмосферных осадках составляет 0,00008 М/кг. Полученные данные подтверждаются расчетами в программе термодинамического моделирования Geochemist's Workbench Essentials и PHREEQC версия 3.

Для определения скорости растворения карбонатных горных пород в целом на территории Ижорской возвышенности были произведены расчеты по формуле: \У=УСТ0Кх Сеток, где Усток - годовой сток подземной воды с территории, кг/год. Ссток - концентрация растворенных веществ в подземной воде, г/кг.

На основании опробования подземных вод в 2012 году была определена концентрация кальция и гидрокарбонат - иона, которая составляет 0,508 г/кг (суммарное количество грамм компонентов растворенного в 1 кг воды). На основании численной модели фильтрации построенной НИЦ Гидрогеологии ГФ СПбГУ и архивных материалов, была определена величина годового стока с территории Ижорской возвышенности, которая составляет 5,03x1011 кг /год. В результате расчета, была получена величина скорости растворения карбонатных горных пород в целом на территории Ижорской возвышенности, которая составляет 2,66x10й гх год"1.

Установлено, что факторами, контролирующими скорость растворения карбонатной горной породы и обратного процесса насыщения карбонатом кальция воды, является площадь контакта карбонатной породы с объемом воды, с определенной степенью ненасыщенности раствора по отношению к горной породе. Моделирование процесса растворения производилось для закарстованной, сильнотрещиноватой карбонатной горной породы в которых трещины с раскрытием 0,002 обуславливают пустотность 2 % и горных пород с фоновой трещиноватостью и закарстованностью, трещины с раскрытием 0,002 обуславливают пустотность 0,2%. При инфильтрации моделируется ситуация с полным заполнением трещин водой, что отмечается в периоды повышенного инфильтрационного питания осенью и весной. Расчеты основываются на формуле разработанной Морсом и

Берном: Я = — = (^/с)(1 — П)", где Л - скорость насыщения1 м3

воды, моль*м"3*час_1. с1т - изменение концентрации кальцита в водном растворе, моль/кг; I - время протекания реакции, час; А -общая поверхность растворения, м2, в 1 м3 горной породы, с расположением трещин через 10 см для трещиноватых горных пород и 1 трещина на блок для пород с фоновой трещиноватостью;

V - объем воды, контактирующий с площадью поверхности, равный объему трещинного, закарстованного пространства; л - формальный порядок растворения, в реакции растворения кальцита равняется 1; Г2 - индекс насыщения в пошаговых расчетах, представлялся как

для определения начального насыщенного состояния воды индекс насыщения представляется Q=log((Ca)(HC032")K2/((H+)(KpaBH))); Кравн - константа равновесия кальцита; К2 - константа диссоциации гидрокарбонат иона; к -константа скорости растворения, 1,83х10"7ч"'м"2.

Степень увеличения насыщенности воды и уменьшения скорости растворения учитывалась пошагово с учетом глубины проникновения раствора. В каждом шаге, соответствующему времени 1 час, рассчитывалось количество растворенной карбонатной горной породы, которое учитывалась при пересчете степени насыщенности в следующем шаге. Расчеты основываются на учете скорости фильтрации воды. По данным фондовых материалов (Николаев A.C., 1990 г; Грейсер E.JL, 1990 г.) действительная скорость фильтрации в зоне повышенной трещиноватости, составляет 30 м/сут, а в области фоновой трещиноватости 0,8 м/сут.

Глубина фильтрации вод при сохранении агрессивных свойств в областях сильнотрещиноватых карбонатных горных пород составляет 50 м, а в областях отсутствия фоновой трещиноватости горных пород 5 м (рисунок 3 и рисунок 4).

Из проведенных расчетов следует: атмосферные осадки не насыщены по отношению к известняку, при фильтрации через зону аэрации средней мощностью 20 м осадки растворяют горную пород и постепенно насыщаются. Только 53% или 1,42* 1011 гх год"1 растворенных карбонатных горных пород было растворено в зоне аэрации, при положении зеркала грунтовых вод на глубине 20 м. При эксплуатации водоносного горизонта, происходит понижение водоносного горизонта, образование депрессионных воронок, которые в свою очередь увеличивают зону аэрации, происходит проникновение на большую глубину и растворение большего объема горных пород.

Масштаб: 5000.м Рисунок 1 - Схема факторов обуславливающих развитие карстовых процессов на Ижорской возвышенности

Схема построена на основании данных Жданова C.B., с привлечением данных Грейсера Е.Л. и Басковой И.В. Обозначения номеров:

1 - Область повышенного инфильтрационного питания.

2 - Область наибольшей мощности зоны аэрации.

3 - Депрессионное понижение.

4 - Болотные массивы.

5 - Области трещиноватости.

6 - Птицефабрики-источники органических кислот.

7 - Гидрографическая сеть.

8 - Дорожная сеть.

9 - Населенные пункты.

10 - Глинт.

т/хинка | fbi» " Мухмаш»

V Малое

Свтпиц»

читицы

Новый Учхоз

«е**40*0 Года 1(00

Кпопицы

Гйшпаяы

Терпип»"ч

хям

Условные обозначения Ш -Cl. экв-%

■I ~S04' )к»-%

- НСО;. экв-% ■■ -N'a. экв-% ■1 -Са, экв-% m -м§, экв-% IЦ км . масштаб

J

Рисунок 2 - Гидрохимическая схема ордовикского комплекса Ижорской возвышенности по данным опробования 2012 года (по материалам Жданова C.B., 2012 г.)

о

о

10

_ 20 сз

1 зо

С 40 50 60

Скорость насыщения,г*м 3*час"1 0.005 0,01 0,015

0.02

1

Рисунок 3 - Зависимость скорости насыщения воды от глубины фильтрации в горных породах, приуроченных к территориям с сильнотрещиноватыми карбонатными горными породами

Скорость насыщения,г*м"3*час"' 0.005 0.01 0.015

0.02

Рисунок 4 - Зависимость скорости насыщения воды от глубины фильтрации в горных породах, приуроченных к территориям с фоновой трещиноватостью

-9

-3 ЩИ -4 ОН -5 EZ1-6 -7 -10 Масштаб: 5000,м

Рисунок 5 - Схема рисков карстовой опасности на территории Ижорской возвышенности

1 - Риск менее 20 000 р.

2 - Риск 20 000 р. - 50 000 р. 3- Риск 50 000 р. - 100 000р.

4 - Риск 100 000 р. - 500 000 р.

5- Риск 500 000 р.- 1млн. р.

6- Риск более 1 млн. руб.;

7- Гидрографическая сеть.

8- Дорожная сеть.

9- Города.

10- Глинт.

I, II, III - Области с повышенными значениями риска.

За счет сохранения агрессивных свойств до глубины 50 м (для территорий с активными карстовыми процессами), в верхней части зоны полного насыщения формируется пространственный ненасыщенный слой, способный также растворять карбонатные горные породы. Именно с растворением этим слоем карбонатных горных пород связано 47% или 1,24x10й гхгод"1 растворенных горных пород.

3. На основании оценки и картирования развития рисков карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности в центральной и северной части были выделены 3 области, характеризующиеся наибольшими значениями рисков проявления карста.

На основании проведенного моделирования, было определено, что в природных условиях в течение 100 лет, образуются полости, растущие за счет растворения горных пород. При превышении предельно допустимого давления, которое оказывают карбонатные горные породы над полостью растворения на основание, происходит обвал, выражающийся на поверхности в виде провала. Риск провала Ъ представляется как произведение вероятности образования карстового провала Р и величины ожидаемого ущерба, выраженного в стоимостном измерении. Ъ\ К=Рхг. Вероятность образования карстового провала оценивается количеством провалов на территории в 1 км2 в год. На Ижорской возвышенности по данным многолетнего мониторинга выделяются области со значениями вероятности карстовых провалов в пределах от 0,014 до 0,6 карстовых провалов на территории в 1 км2 в год. На территории Ижорской возвышенности рассматриваются риски связанные с проявлением карстовых процессов, которые приводят к возникновению угроз: исключение земель из землепользования; разрушение зданий; разрушение автомобильных дорог.

Оценка ущербов деградации почв и земель, исключаемых из землепользования, производилась согласно «Методике определения размеров ущерба от деградации почв и земель, утвержденной Минприроды России и Роскомземом в 1994 г». Расчеты производились для карстового провала площадью 100 м2, при этом

рассчитанный ущерб составил 608 тысяч рублей, а для заповедных, особо охраняемых территорий ущерб составил 2 миллиона рублей. Расчеты ущербов на территориях застроенных зданиями и сооружениями для дорожной инфраструктуры производились на основании теоретического анализа. При создании схемы рисков было выделено шесть областей различающихся величиной обозначаемого риска (Рисунок 5). Риск находится в пределах 20 ООО р. - 1 500 ООО р.

На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по снижению рисков развития карстовых провалов.

Основными мероприятиями, направленными на снижение рисков развития карстовых процессов являются: 1. Исключение любых видов строительства в тектонически активных зонах. 2. Освоение территорий с наименьшим количеством поверхностных форм карста снижает вероятность развития карстовых процессов. 3. Специальные инженерно - геологические и геофизические изыскания, направленные на идентификацию уже существующих карстовых форм, и на прогноз изменения гидрогеологических и геохимических условий при строительстве. 4. Исключение сбросов сточных вод на территории Ижорской возвышенности и мониторинг подземных вод с оценкой содержания агрессивной углекислоты, измерения рН. 5.Создание санитарно-защитных зон в районах расположения карстовых форм рельефа. 6. Отслеживание и прекращение деятельности нелегальных пользователей подземных вод, контроль уровня грунтовых вод и депрессионных понижений вследствие эксплуатации скважин. Увеличение мощности зоны аэрации приводит к усилению карстовых процессов. 7. Мониторинг геологической среды на предмет появления новых карстовых форм. Выявление очагов развития карстовой активности на Ижорской возвышенности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи по изучению особенностей и

совершенствования научно-методических основ прогноза развития карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности.

1. В результате исследования фильтрации подземных вод на численной модели фильтрации учитывающей области повышенной проводимости и инфильтрационного питания были получены элементы баланса подземных вод.

2. Установлены и схематизированы основные факторы, обуславливающие развитие карстовых процессов

4. На основании термодинамических расчетов определена равновесная концентрация иона кальция в воде, которая составляет

0.0021.М/кг, относительно которой была установлена агрессивность инфильтрационных вод.

5. На основании гидрохимического моделирования установлена глубина инфильтрации вод при сохранении агрессивных свойств, которая в областях сильнотрещиноватых карбонатных горных пород составляет 50 м, а в областях фоновой трещиноватости горных пород 5 м. Установлено, что в зоне аэрации происходит растворение 53% , а в зоне насыщения 47 % всех растворяемых горных пород.

6. Разработан метод оценки рисков развития карстовых процессов. Построена схема рисков для территории Ижорской возвышенности. Выявлены конкретные неблагоприятные зоны, с высокими значениями риска развития карста.

7. Для снижения риска развития карстовых процессов были составлены рекомендации.

Работы по теме диссертации Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Жданов C.B. Проблемы водопользования Ижорского месторождения подземных вод/ C.B. Жданов, В.В. Куриленко,// Записки Горного института. - 2013. - №200. - с. 216-221.

2. Жданов C.B. Термодинамика и кинетика растворения карбонатных горных пород на территории Ижорской возвышенности/ C.B. Жданов//Естественные и технические науки. - 2013 г. - №4. - с. 177-179.

3. Жданов C.B. Научно-методическое обоснование и оценка развития карбонатного карста на территории Ижорской

возвышенности и картирование, связанных с ним экологических рисков/ C.B. Жданов, В.В. Куриленко, // Экология и промышленность России. - Октябрь 2013 г. - с. 52 -56

Статьи опубликованные в других изданиях:

4. Жданов C.B. Перспектива использования подземных вод для водоснабжения Санкт- Петербурга /C.B. Жданов // Первая всероссийская конференция молодых ученых, посвященная памяти В.А. Мироненко под. ред. П.К. Коносавского, P.A. Филина. - 2010. - с. 44 - 47.

5. Жданов C.B. Термодинамика карбонатной системы Ижорской возвышенности /C.B. Жданов, В.В. Куриленко//Школа экологической геологии и рационального недропользования-

2012 г. - с.182-185

6. Жданов C.B. Оценка ущерба возникающего в результате развития карбонатного карста на территории Ижорской возвышенности. /C.B. Жданов, В.В. Куриленко//Школа экологической геологии и рационального недропользования-

2013 г. - с.124-126

7. Жданов C.B., Условия формирования радоновых вод северозападного региона России. / C.B. Жданов, Е.П. Каюкова // Школа экологической геологии и рационального недропользования - 2006 г. - с. 130-134

8. Жданов C.B. Радон в источниках поселка Можайский (Дудергофские высоты). /C.B. Жданов, Е.П. Каюкова// Школа экологической геологии и рационального недропользования,-2005 г. - с.226-228

РИЦ Горного университета. 26.11.2013. 3.589. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Жданов, Сергей Витальевич, Санкт-Петербург

Правительство Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

04201455481 „

На правах рукописи

й1

Жданов Сергей Витальевич

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КАРБОНАТНОГО КАРСТА ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Куриленко Виталий Владимирович

Санкт-Петербург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1 ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ..........................................................13

ГЛАВА 2 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ....................................................................................................21

ГЛАВА 3 ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ. 26

ГЛАВА 4 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ....................................................................................................40

4.1 Подземные воды четвертичных отложений.........................................................43

4.2 Верхнеэйфельско-нижнефранский водоносный горизонт (D2ef2 - ..........48

4.3 Ордовикский водоносный горизонт (О2-3)............................................................50

4.4 Кембро-ордовикский водоносный горизонт (С1-О1)...........................................61

ГЛАВА 5 РАЗВИТИЕ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ТЕРРИТОРИИ ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ............................................................................63

5.1 Геоморфология........................................................................................................63

5.2 История развития карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности..............................................................................................................64

5.3 Тектоника и трещиноватость.................................................................................69

5.4 Типология и морфология карстовых форм..........................................................76

5.5 Моделирование фильтрации подземных вод на Ижорской возвышенности ... 82

5.6 Роль антропогенных факторов в карстообразовании..........................................86

5.7 Закономерности распространения карста.............................................................92

ГЛАВА 6 РАСТВОРЕНИЕ КАРБОНАТНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД..........................96

6.1 Обзор ранее произведенных исследований в области гетерогенных взаимодействий.............................................................................................................96

6.2 Характеристика гетерогенных процессов..........................................................100

6.3 Механизм растворения карбонатов (Модель Пламера)....................................118

6.4 Равновесная термодинамика карбонатной системы применительно к известнякам Ижорской возвышенности..................................................................122

6.5 Расчет скорости денудации Ижорской возвышенности...................................132

6.6 Гидрогеохимическое моделирование растворения карбонатных горных пород на Ижорской возвышенности....................................................................................133

ГЛАВА 7 ЭКОЛОГИЧЕСКИ РИСКИ РАЗВИТИЯ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ТЕРРИТОРИИ ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ.........................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................157

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА.................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ А СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ КОЛОНКА ДОЧЕТВЕРТИНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД........................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ДОЧЕТВЕРТИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ИЖОРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ...........................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ В УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТЫ ДОЧЕТВЕРТИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ Г ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ ДОЧЕТВЕРТИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.........................................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ Д ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ.........................................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ Е УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТЫ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ........................................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА........................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ.......................................178

ПРИЛОЖЕНИЕ К УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТЫ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА................................................179

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Территория Ижорской возвышенности включает крупнейшее в Ленинградской области Ижорское месторождений подземных вод, приуроченное к ордовикскому водоносному горизонту, водовмещающими породами являются карстующиеся органогенные, пелитоморфные известняки, местами неравномерно доломитизированные. Развитие современных карстовых процессов приурочено к зоне аэрации и зоне активного водообмена. Увеличение использования подземных вод для водоснабжения, развитие депрессионных понижений, методичное загрязнение агрессивными стоками приводят к усилению техногенного карбонатного карста, наряду с природным карстообразованием. Каждый год на территории в 1 км образуется от 0,01 до 0,4 нового карстового провала, который может нанести ущерб инфраструктуре, сооружениям и человеческим жизням.

Научно-методическое обоснование и оценка процессов, определяющих развитие поверхностного карбонатного карста, широко представленного в пределах территории Ижорской возвышенности, представляет теоретический и практический интерес для безопасного освоения и проживания на исследуемой территории.

Степень разработанности темы исследования. Исследователи не уделяли достаточного внимания рассмотрению термодинамики, кинетики растворения карбонатных горных пород и гетерогенных взаимодействий на Ижорской возвышенности. Не была рассчитана скорость растворения карбонатных горных пород, не определялась равновесная концентрация иона кальция в воде относительно горной породы. Отсутствовала оценка рисков развития карстовых процессов. Таким образом, необходимы дополнительные гидрогеохимические и гидродинамические исследования для выяснения условий карстообразования.

Целью работы изучение гидрогеологических особенностей и совершенствование научно-методических основ прогноза развития карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности, основанной на подсчете рисков.

Основные задачи исследований

1. Количественная характеристика ордовикского водоносного горизонта, основанная на численной модели фильтрации.

2. Установление факторов обуславливающих развитие карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности.

3. Гидрохимическая оценка агрессивности инфильтрационных и подземных вод зоны полного насыщения.

4. Физико-химическое моделирование процесса растворения карбонатных

пород

5. Оценка рисков развития карстовых процессов.

6. Совершенствование научно - методических основ прогнозирования карстовых процессов.

7. Научно-методическое обоснование принципов для построения схемы рисков.

Объект исследований. Процесс развития карбонатного карста на территории Ижорской возвышенности, располагающейся на юго-западе Ленинградской области (Ломоносовский, Гатчинский, Волосовский, Кингисеппский районы).

Научная новизна работы

1. На основании моделирования динамики подземных вод, термодинамических и кинетических расчетов гетерогенной системы Ижорской возвышенности количественно определен вклад растворения в зоне аэрации и верхней части зоны полного насыщения в общее растворение карбонатных горных пород. Были разработаны методические основы определения глубины

инфильтрации агрессивных вод на территориях с активным проявлением карстовых процессов и на не закарстованных территориях.

2. Для верхней части зоны полного насыщения и зоны аэрации территории Ижорской возвышенности, подвергающейся активной техногенной нагрузке в связи с особенностями геологического и гидрогеологического строения, установлены факторы и условия, контролирующие развитие техногенного и природного современного карста.

3. Для территории Ижорской возвышенности рассчитаны экологические риски развития карстовых процессов для объектов гражданского строительства, инфраструктуры и деградации земель. На построенной карте рисков выделены области с наибольшим значением риска.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе полевых наблюдений и гидродинамического моделирования установлено, что природные и техногенные факторы, а именно: наличие систем трещиноватости, повышенное инфильтрационное питание, развитая зона аэрации, наличие в подземных водах повышенных концентраций углекислоты, развитие депрессионных понижений и, загрязнения водоносного горизонта органическими кислотами, определили районы развития карбонатного карста в северной и центральной части Ижорской возвышенности.

2. Термодинамическим и кинетическим моделированием установлено, что инфильтрационное питание, в пределах гетерогенной системы карбонатных горных пород Ижорской возвышенности, сохраняет агрессивность и способность к растворению карбонатных пород до глубины 50 м в сильнотрещиноватых породах и до глубины 5 м в породах с фоновой трещиноватостью, при этом в зоне аэрации, растворяется 53 %, а в верхней части зоны полного насыщения 47% растворяемых горных пород.

3. На основании оценки и картирования развития рисков карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности в центральной и северной

части были выделены 3 области, характеризующиеся наибольшими значениями рисков проявления карста.

Основные методы исследований. Гидрохимическим опробованием подземных вод определена гидрохимическая ситуация инфильтрационных вод и вод зоны насыщения. Расчетными методами равновесной термодинамики многофазной системы определена равновесная концентрация иона кальция в воде по отношению карбонатным горным породам и оценена ненасыщенность инфильтрационных вод и пересыщенность вод зоны насыщения. На основании информации из фондовых источников анализ минералогического состава, фильтрационных характеристик красующихся карбонатных горных пород.

На основании анализа геолого - гидрохимических факторов и условий развития, природных и техногенных карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности установлена область преимущественного растворения горных пород. Контроль термодинамических расчетов и осуществлялся в программах Geochemist's Workbench Essentials и PHREEQC версия 3. Гидрогеологическое обоснование влияния фильтрационных неоднородностей в массиве горной породы на формирование потоков подземных вод производилось с помощью численного моделирования динамики подземных вод методом конечных разностей в Modflow (реализовано в рамках пакета Processing Modflow 5.3).

Определение глубины инфильтрации агрессивных вод осуществлялось гидрохимическим моделированием. На основе анализа рисков развития карстовых процессов совершенствовались научно - методические основы прогнозирования развития карстовых процессов, оценки ущербов и картирования рисков.

Теоретическая значимость работы. В диссертации рассматриваются фундаментальные механизмы определяющие скорость растворения карбонатных горных пород и направление протекание реакции, а также приводится методика определения глубины проникновения агрессивных растворов, необходимая для определения возможной глубины карстования горных пород. Ключевую роль в

диссертации играет оценка вклада зоны аэрации и верхней части зоны полного насыщения в растворение карбонатных горных пород. Также в диссертации разработана методика прогнозирования карстовых процессов, через подсчет и картирования рисков образования провалов.

Практическая значимость работы.

1. Установлена мощность преобладающей зоны растворения и выщелачивания карбонатных горных пород на территории Ижорской возвышенности.

2. Оценены риски развития карстовых процессов.

3. Построена схема факторов отвечающих за развитие карстовых процессов на территории Ижорской возвышенности.

4. Построена схема рисков развития карстовых процессов, позволяющая оценить прогнозируемые затраты, которые несут здания, сооружения, дороги, сельскохозяйственные земли с определенной долей вероятности.

5. На основании проведенных исследований составлены рекомендации снижения рисков развития карстовых процессов.

Достоверность научных положений и выводов определяется большим объемом полевых, аналитических и лабораторных исследований с применением современного оборудования, а также близкой сходимостью аналитических данных с результатами других исследователей.

В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ, с непосредственным участием автора: «Разработка месторождений по охране подземных вод от загрязнения на Варваринском, Гостилицком, Вильповицком и Красносельском участках Ижорского месторождения подземных вод» (2004 г.), «Исследование сосредоточенных областей разгрузки подземных вод г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области» (2005 г.), «Исследование гидрохимического и радиологического состава подземных вод месторождений, используемых для водоснабжения Санкт-Петербурга и выявление факторов, определяющих его

формирование. Выявление факторов, приводящих к превышению ПДК железа, марганца, радона и других микрокомпонентов в подземных водах месторождений, используемых для водоснабжения Санкт-Петербурга. Оценка перспектив использования подземных вод для водоснабжения Санкт-Петербурга и возможности сохранения водных ресурсов Ижорского месторождения» (20072009 г.), собственные исследования химического состава подземных вод Ижорской возвышенности в 2012 году.

Фактический материал и личный вклад автора. В основе работы использован материал, собранный при непосредственном участии автора в 20042012 годах.

Для установления факторов развития карстовых процессов автором были проведены исследования, включающие химическое опробование подземных вод в более чем 50 скважинах, источниках, водозаборах подземных вод, располагающихся на территории Ижорской возвышенности. Исследовался химический состав атмосферных осадков.

Личный вклад автора состоит в сборе, анализе и обобщении материалов по геологическим, гидрогеологическим эколого-геологическим и гидрохимическим особенностям территории Ижорской возвышенности, включающие многочисленные литературные и фондовые источники.

Для понимания геохимических факторов развития карста, автором были вручную произведены термодинамические расчеты для определения равновесной концентрации иона кальция и расчет кинетики растворения карбонатных горных пород. Расчеты были проверены с помощью программных пакетов Geochemist's Workbench Essentials и PHREEQC версия 3. Автором установлена агрессивность инфильтрационных вод и вод зоны насыщения по отношению к водовмещающим карбонатным горным породам. Рассчитана глубина проникновения агрессивных растворов. На основании гидрохимического моделирования определены скорости растворения карбонатных горных пород, определена скорость денудации горных пород Ижорской возвышенности и определен вклад зоны аэрации и зоны полного

насыщения в растворение карбонатных горных пород. Автором рассчитаны ущербы и риски развития карстовых процессов. На основании теоретического анализа построена схема факторов развития карстовых процессов. На примере исследуемой территории разработана методика построения карты рисков развития карстовых процессов, которая является совершенствованием научно-методических основ прогнозирования развития карстовых процессов. Автором определены основные факторы и особенности развития техногенного и природного карста на примере Ижорской возвышенности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Шестая школа экологической геологии и рационального недропользования» (СПбГУ 2005 г.); «Седьмая школа экологической геологии и рационального недропользования» (СПбГУ 2006 г.); «Восьмая школа экологической геологии и рационального недропользования» (СПбГУ 2007 г.). Конференция молодых специалистов, посвященная памяти доктора геолого-минералогических наук, члена корреспондента РАН Валерия Александровича Мироненко (2010 г.); «Двенадцатая школа Экологической геологии» (СПбГУ 2012 г.); «Тринадцатая школа Экологической геологии» (СПбГУ 2013 г.).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 179 страницах, состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, списка иллюстративного материала, содержит 20 рисунков, 5 таблиц. Диссертация содержит 9 приложений.

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 8 опубликованных работах, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.

Бла�