Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка и районирование антропогенного воздействия горнодобывающей деятельности на поверхностные и подземные воды Прикаспия

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка и районирование антропогенного воздействия горнодобывающей деятельности на поверхностные и подземные воды Прикаспия"

На правах рукописи

ои-э-1"

Гоман Антон Владимирович

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И РАЙОНИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ПРИКАСПИЯ (В ПРЕДЕЛАХ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность: 25.00.36 «Геоэкология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

1 О ДЕК 2009

Астрахань - 2009

003487599

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Астраханского государственного университета

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Серебряков Алексей Олегович

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

Корнилов Андрей Геннадьевич

кандидат географических наук Сухоносенко Денис Сергеевич

Ведущая организация:

ФГУ ГП «Волгогеология» Приволжская гидрогеологическая экспедиция

Защита состоится «12» декабря 2009 года в 9.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.04 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д. 1, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Текст автореферата диссертации размещен на официальном сайте Астраханского государственного университета: http://www.aspu.ru.

Автореферат разослан «11» ноября 2009г.

Отзыв на автореферат (2 экземпляра заверенных печатью) просим направлять по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д. 1. АГУ, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.009.04. Факс (8512) 44-02-24, E-mail: miolin76@mail.ru

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, доцент

М.М.Иолин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования обусловлена научно-производственной необходимостью оценки техногенных процессов, развивающихся в атмогидролитосфере эксплуатируемого Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) и прогнозной оценки техногенных явлений перспективной на нефтегазоносность территории Прикаспия.

Цель работы. Изучение антропогенного воздействия горнодобывающей деятельности на подземные воды четвертичного водоносного комплекса Прикаспия (в пределах Астраханской области). Геоэкологическая оценка и районирование.

Основные задачи исследования.

1. Изучение условий формирования состава подземных вод при освоении нефтегазовых месторождений территории Прикаспия по показателям минерализации, сульфатных и азотных соединений, кислых рН.

2. Выявление геоэкологического состояния подземных вод на территориях нефтегазового освоения в условиях аридного климата и факторов, определяющих их геоэкологическую безопасность.

3. Оценка процессов геоэкологической защищенности по геохимическому признаку четвертичного водоносного комплекса Астраханского Прикаспия от влияния антропогенного воздействия в условиях освоения нефтегазовых месторождений, составляющих базовую основу геоэкологической безопасности.

4. Районирование территории Прикаспия (в пределах Астраханской области) по гидрогеохимическим признакам геоэкологической защищенности от антропогенного влияния в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

5. Экспериментальное моделирование техногенных процессов на основе натурных данных.

Указанные задачи обусловлены слабой изученностью геоэкологических явлений и процессов на территории нефтегазового освоения и необходимостью разработки достоверных приемов решения для этих территорий задач экологической безопасности в аридных условиях. Выбор объектов исследований (например, и т.д.) обоснован, во-первых, тем, что компоненты природных систем наиболее подвержены техногенному влиянию эксплуатации нефтегазовых месторождений, имеют широкое распространение как в природных, так и в техногенных условиях, а также слабой изученностью миграционных процессов в аридных условиях.

Фактический материал и методика исследования.

В основу исследований легли материалы, полученные автором в ходе полевых и лабораторно-экспериментальных работ, проводимых ОАО «Астрахань ГАЗПРОМ» и Астраханским государственным университетом. Использованы данные кафедры гидрогеологии МГУ им. М. В. Ломоносова, а также фондовые данные ООО «АстраханьНИПИгаз», Астраханьгипроводхоза, Астраханской геологической экспедиции и др.

Основа методики исследований - естественноисторический анализ натурных данных, в котором используются методы генетического классифицирования,

3

картирования, районирования; лабораторного эксперимента; балансовых и др. расчетов; систематизации; отдельные статистические приемы. Научная новизна работы:

- Впервые посредством обобщения большого натурного материала путём его естественноисторического анализа, статистических приёмов, гидрогеохимических расчётов, картографирования, экспериментального моделирования и др. для природно-техногенных условий территории АГКМ выявлена структура техногенной области четвертичного водоносного комплекса с установившимися гидрогеодинамическими и гидрогеохимическими особенностями

- Впервые для территории Прикаспия на примере АГКМ оценена ведущая роль физико-химических процессов в системах «техногенные растворы-порода зоны аэрации» и «техногенные растворы-природная подземная вода» приводящих к снижению концентраций химических компонентов в этих системах.

- Выявлены и систематизированы процессы комплексного воздействия химических компонентов атмосферы и наземных техногенных источников на подземные воды в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

- Обоснована геоэкологическая защищенность подземных вод четвертичного водоносного комплекса по ряду геохимических процессов и выполнена классификация данных процессов для условий освоения нефтегазовых месторождений Прикаспия и аридных областей. Предложены приемы количественной оценки геохимических процессов геоэкологической защищенности подземных вод и проведено экспериментальное лабораторное моделирование.

- Установлено, что максимальное проявление геоэкологической защищенности по геохимическому признаку происходит при формировании смесей производственных стоков и других техногенных растворов с подземными водами в пределах техногенной области. Впервые предложен метод установления границ техногенной области подземных вод.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Формирование состава подземных вод четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений посредством комплекса геохимических процессов в зоне аэрации и подземных водах, снижающих концентрацию подавляющего большинства компонентов подземных вод природного генезиса.

2. Гидрогеохимическая структура четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений представлена сочетанием природной и техногенной областей. Техногенная область состоит из подобластей: 1 - внутренняя, с геохимической неоднородностью смесей, формирующихся при смешении слабо минерализованных техногенных растворов с минерализованными подземными водами природного генезиса; 2 - внешняя, где смеси распространяются с увеличивающейся в направлении техногенного потока минерализацией до фоновой. Техногенные границы для условий Астраханской области ориентировочно через 5 лет приближаются к стационарным, указывающим на завершение формирования техногенного режима.

3. Типизация геоэкологической защищенности подземных вод по геохимическому признаку. Значимые процессы (по характеру проявления и количественным оценкам) представлены: 1 - в зоне аэрации а) нейтрализацией кислых атмосферных осадков при сернокислотном взаимодействии с карбонатными соединениями пород; б) удалением из стоков аммония посредством адсорбции песками, характеризующимися значительной емкостью; 2 - в водонасыщенной части водоносного комплекса - образованием смесей с минерализацией ниже природных подземных вод (20-30 г/л) вследствие их смешения со слабоминерализованными (2-3 г/л) стоками и атмосферными осадками.

4. Районирование территории АГКМ и Прикаспия по геохимическим признакам геоэкологической защищенности подземных вод, обеспечивающее значительный процент экологической безопасности в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

Теоретическое и практическое значение работы.

Полученные в ходе диссертационного исследования результаты и научно-практические разработки использованы при планировании комплексной системы защиты природных сред Прикаспия (в пределах Астраханской области) и других аридных территорий от влияния антропогенного воздействия при освоении нефтегазовых месторождений. Материалы работы готовы к ориентированию дальнейших мониторинговых работ на установление в достоверных границах области техногенного формирования подземных вод.

Полученные данные контроля о геохимических признаках геоэкологической защищенности подземных вод учитывают в проектах освоения нефтегазовых месторождений АГКМ, ОГКМ, ТНМ и др.

Финансирование научных исследований выполнялось Федеральным агентством по образованию (Грант: А04-2.13-694,2004 г).

Апробация работы. Основные положения работы и рекомендации апробированы на научно-практических конференциях всероссийского и международного уровня, наиболее значимые из них: VI Всероссийская научно-практическая конференция «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия» на базе Пензенской государственной сельскохозяйственной академии (Пенза, 2002); Всероссийская научно-практическая конференция «Экологические проблемы промышленных городов» на базе Саратовского государственного технического университета (Саратов, 2003); Всероссийская научная конференция, посвященная 200-летию Казанского государственного университета «Современные глобальные и региональные изменения геосистем» (Казань, 2004); Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» на базе Астраханского госуниверситета (Астрахань, 2002-2009); V Международный Симпозиум «Минералогические музеи» на базе Санкт-Петербургского государственного университета и Кристиан-Альберхтс-университета (Санкт-Петербург, Киль (Германия), 2005); Международная конференция «Проблемы геологии и разведки полезных ископаемых» на базе Томского политехнического университета (Томск, 2005, 2007); Ломоносовские чтения на кафедрах геоэкологии и гидрогеологии МГУ им.

5

М. В. Ломоносова (Москва, 2007). А так же были отмечены на всероссийском конкурсе молодых авторов в рамках международной научной конференции "Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии", 2005» на базе Российского государственного университета им. И. М. Губкина, Научного совета по проблемам геологии и разработки месторождений нефти и газа (Отделение наук о Земле, РАН) и Института проблем нефти и газа РАН.

Личный вклад автора заключается в сборе и обобщении большого натурного материала, выполнении естественноисторического анализа с применением статистических приёмов, гидрогеохимических расчётов, картографирования, экспериментального моделирования и др., проведении натурных и полевых геоэкологических работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы составляет 226, из них 156 страниц машинописного текста. Работа проиллюстрирована 58 рисунками, 45 таблицами и 1 схемой. Список использованной литературы включает 119 наименований, из них 6 зарубежных авторов.

Публикации. Всего опубликовано 34 работы, из них по теме диссертации 20, в т.ч. в изданиях ВАКа - 3.

Автор выражает благодарность доктору геолого-минералогических наук, профессору К.Е.Питьевой (кафедра гидрогеологии МГУ им. М.В.Ломоносова); доктору химических наук Ю.М.Киселеву (кафедра неорганической химии МГУ им. М.В.Ломоносова); доктору геолого-минералогических наук, профессору В.С.Назаренко (ЮФУ, Ростов-на-Дону); кандидату химических наук Н.Н.Сычеву (Представительство «Новозаймс А/С» (Дания) в г. Москве).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При написании диссертации автором использовались научные труды многих исследователей территории Прикаспия: в области геологического строения: П.Карпинского, А.Д.Архангельского, В.В.Федынского, И.М.Губкина, Н.С.Шатского, В.Е.Хайна, Н.И.Воронина, А.Ф.Шарановича, Ю.П.Цведеля, А.Я.Бродского и др.; при изучении подземной гидросферы: И.К.Акуз, Л.Ф.Кривко, А.ЕЛютницкий и др; по изотопии Ю.А.Федоров; со времени создания АстраханьНИПИгаз дальнейшие исследования проводились группой сотрудников лабораторией гидрогеологии под руководством О.И. Серебрякова и на договорных началах с кафедрой гидрогеологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова под руководством К.Е.Питьевой.

В главе 1 диссертации автором приведена характеристика физико-географических и геолого-гидрогеологических условий территории Прикаспия.

Глава 2 представляет собой детальную конкретизированную гидрогеологическую и гидрогеохимическую характеристику четвертичного водоносного комплекса, включающую подробное всесторонне описание литологического, минерального и геохимического состава пород, условий залегания и химического состава подземных вод, гидрогеодинамическую обстановку и балансовые особенности исследований го водоносного комплекса.

В главе 3 охарактеризованы техногенные нагрузки на подземную гидросферу Прикаспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

6

Глава 4 представляет собой подробное описание методики проведенных исследований.

Глава 5 содержит данные лабораторных исследований процессов формирования состава подземных вод в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

В главе б рассмотрены гидрогеохимические преобразования в четвертичном водоносном комплексе Прикаспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений (по показателю общей минерализации, соединениям серы и азота). Описаны экспериментальное моделирование структуры и динамики области подземных вод техногенного формирования.

Глава 7 представляет собой описание предложенной геоэкологической защищенности подземных вод по геохимическому признаку, установленной по ряду физико-химических процессов на примере четвертичного водоносного комплекса территории Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) и прогнозируемой для Прикаспия в целом на основе аналогичности этих территорий.

В главе 8 приведено районирование территории Прикаспия по геохимическим признакам геоэкологической защищенности четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

По выполненной работе защищаются следующие положения:

Положение 1. Формирование состава подземных вод четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений посредством комплекса геохимических процессов в зопе аэрации н подземных водах, снижающих концентрацию подавляющего большинства компонентов подземных вод природного генезиса.

Изменение минерализации подземных вод как обобщающего показателя ух состава. На изменение минерализации подземных вод влияют компоненты-загрязнители атмосферы, стоков, речных вод. Состав атмосферных осадков периода эксплуатации АГКМ, образующих, в основном их минерализацию, близок природному фону. Исключение составляют сульфаты, соединения азота, углерода, повышенная концентрация которых связана с процессами окисления газовыбросов.

Диапазон минерализации атмосферных осадков 0,03-0,93 г/л, при среднем значении 0,26 г/л. Главные анионы НС03", 5042", СГ; среди катионов натрий, кальций.

Минерализация речных вод в первые годы эксплуатации месторождения вследствие интенсивного поверхностного смыва доходила до 0,5-0,7 г/л; далее установилась около 0,3 г/л, то есть, стала идентична природной фоновой.

Значительными с позиций количественных изменений в минерализации природных фоновых подземных вод являются стоки (Табл .1). С учетом загрязненных атмосферных осадков они составляют 2,36 г/л; округленно на входе в зону аэрации принята минерализация в 2,5 г/л.

Таблица 1

Режим минерализации стоков АГХК за период 1987-1991 гт.

Х,гЫрН

8 В Р5 промъкдоэо-проюводсяенные доадевые прогаводстаеняо-дояугевые ЕСР

В-блок КНС-10 КНС-9 КНС-1 КНС-5 КОС-2 ЕСР

вход штод

1987 0,2-1,9 1,7-2,8

6,8-9,3 7,6

I 35,4 1,5-1,6 1,5 1,8-3,3 0,9-2,1 2,2-2,9

1988 6,5-6,6 67,0-8,7 8,5-8,8 7,4-8,4 6,6-7,6 6,6-8,0

1,2-3,0 пл 1,4 1,2-14 1,9-2,8 1,6-1,9 2,4

1989 7,0-7,4 6,8 7,2 7,5-7,6 7,5-7,6 7,4-7,6 7,6

сры. гааоюе 1,8 6,8 2,0 2,3 1.6 1,7

1990 1,78 7,7 1,48 7,6 1,49 7,5 0,83 0,79 2,7 8,0

1 1 1991 0,64 8,1 1,47 8,0 1.14 7,3 3,0 7,3 2,99 7,2 2,25 7,75

1991 1,05 8,4 1,91 8,7 1,55 7,6 1,36 7,6 1,48 8,8 2,2 7,7

сред, годовые 1,16 1.7 1,4 2,0 1,77 2,4

сред. многолетние 1,43 4,2 1,7 2,1 1.7 2,0

В делом (бмВ-бжж) 2,1

Величины рН преобладающей части стоков близки к нейтральным; редко они слабощелочные или слабокислые; ЕЬ от -35 - -75 до +145 - +400 мВ.

За счет ионно-солевого комплекса из пылеватых песков зоны аэрации поступает, по данным водных вытяжек, в стоки 400 мг/л и более веществ; из тех же песков по данным взаимодействия с ними экспериментальных растворов -около 700 мг/л веществ (Рис.1).

В целом, в зоне аэрации стоки и атмосферные осадки получают дополнительно около 0,7 г/л веществ и из зоны аэрации выходят с минерализацией (2,5 г/л + 0,7 г/л), равной в среднем 3,2 г/л.

Режимными данными за период с начала эксплуатации месторождения до настоящего времени для участков водоносного комплекса с техногенными объектами на которых формируются стоки, установлено: а) уменьшение минерализации подземных вод; б) глубин их залегания; в) повышение их уровней (Рис.2).

Установлено также:

■ Уменьшение минерализации вод носит характер пространственно-временной изменчивости, обуславливаемой разнообразием ее значений в стоках с различных объектов и в стоках установок, приуроченных к объектам.

■ Существенное уменьшение минерализации вод на участках инфильтрации стоков приурочено к начальному периоду освоения месторождения с 1986 по 1991 г.г.

Ем, мг/л 500

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Рне. 1. График зависимости растворов от времени при различных pli (по дачным лабораторного эксперимента):

Растворы: углекислотный - HIHIHZZZZ] сернокислотный ИРИ-ЩЗ Параллельный эксперимент (сернокислотный Р-Р)I . I Соответствие по оси ОХ: 1-1.2— 10.3 — 120 мин

■ Существенное влияние на конфигурацию участков с уменьшающейся минерализацией вод фильтрационных свойств пород, проявляющееся большими размерами этих участков при их сложении песками и меньшими - песчано-глинистыми разностями.

Как показано выше на рассматриваемой территории среднемноголетняя. схематизированная для разных объектов и установок, измененная в зоне аэрации минерализация стоков, поступающих на уровень подземных вод составляет около 3,2 г/л; минерализация подземных вод природного формирования - 20-30 г/л.

isea 19« 1000

3 10») 1005 1906 1007 «Ее 1009 2КЮ 3J01 2002 г ' . :М «OÍ aun,

Рис. 2. Многолетний техногенный режим минерализации и уровня подземных вод на территории АГПЗ: (7, 11,111 - этапы подтопления с начала работы АГПЗ)

9

Изменения минерализации подземных вод природного характера под влиянием инфильтрующихся стоков в целом имеет две направленности: первая -под влиянием стоков минерализация подземных вод возрастает, происходит загрязнение; условие: 1м стоков > Ем подземных вод, что свойственно природно-техногенным системам в районах с гумидным климатом. Вторая направленность - минерализация подземных вод уменьшается; условие: Ем стока < Ем подземных вод; при этом загрязнение отсутствует. Это свойственно аридным условиям.

Уменьшение минерализации вод природного формирования под влиянием стоков мы относим на счет процесса смешения подземных природных вод со стоками.

Преобразование соединений серы в подземных водах в условиях освоения АГКМ. Техногенное влияние накладывается на подземные воды с природным формированием сульфат-иона, характеризующегося наибольшим распространением в количестве 1,0 до 4-5 г/л при минимуме десятые, максимуме 7 и > тысяч мг/л. Высокие концентрации 8042" - результат формирования фоновых подземных вод под существенным влиянием морских вод Каспийского бассейна (£м > 20 г/л) и ионно-солевого морского комплекса пород (Хм водных вытяжек > 1,0 г/л). Корреляционная связь 80/" с Ем> СГ, Ыа+, в водах составляют соответственно 0,8; 0,7; 0,8; 0,7.

В водах верхней части разреза распределение сульфат-иона существенно неоднородно вследствие влияния на них рельефа, осадков, испарения и пр. На больших глубинах распределение сульфат-иона более равномерно; на участках значительной мощности разделяющих 0пЬг и ОщИу глин концентрация сульфат-иона в водах под глинами существенно - на 0,5-1,5 г/л и более, ниже по сравнению с концентрацией в водах хвалынских отложений, что обусловлено его восстановлением до сероводорода при пониженных ЕЬ. Содержание Н28 в водах -единицы мг/л. Характерные солевые формы для сульфат-иона: №2804 > 1У^804 > Са804.

Техногенные источники сульфат-иона в подземных водах - атмосферные осадки со средним содержанием сульфат-иона около 14 мг/л (с диапазоном в дождевых осадках 4-33 мг/л, снеговых 2-18 мг/л).

Стоки по среднемноголетним данным (1998-2003 г.г.) содержат сульфат-ион в количестве 65-558 мг/л; по среднегодовым 150-360 мг/л; по годовым в диапазоне для большинства объектов периода наблюдений от 80-90 до 713-888 мг/л. С наибольшими среднегодовыми концентрациями 8042" (вследствие испарения) в диапазоне 356-888 мг/л выделяется ЕСР.

В целом, в зону аэрации поступает с атмосферными осадками и стоками 300400 мг/л сульфат-иона.

В зоне аэрации в эти растворы из пород по данным водных вытяжек входит около 300 мг/л сульфат-иона (в форме хорошо растворимых солей натрия и магния), при растворении гипса (термодинамическое моделирование) 20-30 мг/л сульфат-иона. Одновременно, часть 8042 растворов вследствие сульфатредукции преобразуется в Н28.

Концентрации сероводорода по данным 1988-89 г. г. в подземных водах техногенных объектов территории АГКМ составляют (мг/л): АГПЗ (газоперерабатывающий завод) - до 2,0-2,5 (отдельные случаи 15,47 и 19,58); КОС до 0,73-0,98 (редко > 1,0); ЕСР, ЗПО до 0,7-0,9; ВОС = 0,1.

Формирование сероводорода в зоне аэрации связано с восстановлением сульфат-иона с помощью сульфатредуцирующих бактерий, отбирающих кислород у сульфат-ионов при использовании необходимого для этого энергетического материала органического вещества: 8042'+ 2Сорг. + 2Н20 —* Н^ + Н20 + 2С02. Дать количественную оценку процессу сульфатредукции невозможно вследствие затрат серы сероводорода на образование вторичных сульфидов (процесс свойственный песчано-глинистым породам). В подземных водах на участках поступления в них стоков концентрация сероводорода составляет единицы мг/л.

Преобразование сульфат-иона в подземных водах. По режимным данным на участках утечек стоков содержание сульфата в подземных водах естественного формирования постоянно (4-5 г/л) уменьшалось до 40-70 мг/л вследствие их смешения со стоками меньшей концентрацией $042' и атмосферными осадками.

Также процесс смешения подтверждается характером распределения изотопа серы сульфата в подземных водах и других средах. Своеобразие его распределения в разных средах косвенно подтверждает процесс смешения подземных вод со стоками.

Так, атмосферные осадки и речные воды (Волга, Бузан и др.) имеют незначительное превышение по изотопу серы сульфата над фоновым его составом; подземные воды по изотопному составу серы сульфата четко подразделяются на соответствующие естественному и техногенному формированию. В пределах техногенных объектов наибольшие значения изотопа атмосферных осадков, снега, подземных вод в пробах, расположенных в максимальной близости от техногенных объектов; режим изотопного состава вод и др. характерен для техногенных условий.

По особенностям распределения изотопа серы сульфата в разрезе воды водоносного комплекса отличаются утяжелением до глубин - около 10 м. Ее можно принять за глубину распространения в разрезе процесса смешения стоков с подземными водами.

Таким образом, за основной процесс, контролирующий формирование сульфата в подземных водах в период эксплуатации нефтегазовых месторождений, взят процесс разбавления минерализованных природных подземных вод вследствие смешения их со стоками, имеющими низкие концентрации сульфат-иона по сравнению с доэксплуатационным периодом и приводящим вследствие этого к снижению концентрации сульфата.

Из второстепенных учтен фактор высоких температур приводящих к образованию на отдельных установках АГПЗ к выпадению твердых Са504 и процесс сульфатредукции понижающий концентрацию сульфат-иона в водах смешения.

В основу типизации подземных вод по формированию сульфат-иона заложена количественная оценка процессов.

Преобразование соединений азота в подземных водах в условиях освоения АГКМ. Формирование соединений азота в подземных водах до эксплуатации Астраханского газоконденсатного месторождения связано с разложением азотсодержащих органических соединений пород и почв, поступлением азота из атмосферы в газообразном состоянии и в составе атмосферных осадков. В связи со слабым развитием в аридных условиях почвенного слоя в целом и почв, обогащенных органическими веществами в частности, а также незначительного содержания органики в породах верхней части геологического разреза эти источники определяют относительно малые (преимущественно десятые - первые единицы мг/л) концентрации азотных соединений в подземных водах.

Но, вследствие широкого развития в доэксплуатационный период на территории АГКМ сельского хозяйства содержание азотных соединений в водах четвертичного водоносного комплекса оказалось повышенным; ]ЧН4+ до 20 и >, >ГОз" до 8 и >, Ы02" до десятых мг/л.

За верхний предел фоновых концентраций в подземных водах, на которые накладывалось с 1986 г влияние разработки месторождения нами приняты (данные гистограмм, построенные по материалам 1956 г): для ЫН4+ = 7,1, N03' = 2,1 *мг/л.

В период эксплуатации АГКМ основным источником поступления азотных соединений в подземные воды явились атмосферные осадки, стоки.

В атмосферных осадках и стоках первичная форма азотных соединений -МН4+: она формируется при разложении органики, что подтверждается высокими корреляционными связями ЫН4+ в подземных водах техногенной области территории АГКМ: с фенолами летучими - 0,66, нелетучими - 0,48, жирными кислотами 0,60, с битумоидами - 0,59, с цинком - 0,5.

В атмосферных дождевых осадках, характеризующихся минерализацией 0,03-0,93 г/л, концентрация (мг/л) N14/ единицы - редко первые десятки (до 24); Ж)3' следы - единицы, редко первые десятки (17,3); N0^' сотые - десятые (до 0,9). В снеге концентрации азотных соединений меньше, чем в дожде, но выдерживается соотношение: >Ш4+ > N03' > N02".

В стоках содержание азотных соединений незначительно превышает их содержание в атмосферных осадках: >Ш4+: от единиц до первых десятков (0,1545); N03': от нулевых концентраций до первых десятков (0,0-31); >Ю2": от сотых-десятых до единиц и первых десятков (0,0-18). Наиболее частые концентрации: ЫН4+ = 3-4; Ш3" = 1,5-3,0; N0/ = 0,3-0,5 мг/л.

По многолетним данным концентрация форм азотных соединений характеризуется изменчивостью; максимальные концентрации азотных соединений в промысловых стоках, меньшие в производственных, минимальные в условно-чистых при сохранении ЫН/ > Ж)з" > N02". рН преимущественно околонейтральные, ЕЬ близки к восстановительным.

В зону аэрации азотные соединения в период эксплуатации месторождения поступают со стоками и атмосферными осадками, содержащими по средним многолетним данным (мг/л): МН4+: 19, Ж)3": 15.

На выходе из зоны аэрации по данным анализа подземных вод на их уровне концентрация ЫН4+ около 0,3-0,5 мг/л и меньше; Ж>3" < 0,3 мг/л. То есть в зоне аэрации из техногенных растворов (стоков и атмосферных осадков) происходит

12

существенное удаление и предположительно адсорбцией. Обоснование реальности протекания этого процесса: 1. устойчивое состояние аммонийной формы на участках инфильтрации стоков ввиду сохранения стоками их восстановительных условий (ЕЬ от +100мВ до минусовых значений) поддерживаемых наличием в них органики (70 и > мг/л). Восстановительные условия исключают окисление аммония и этот процесс не может рассматриваться к удаляющий данный компонент из стоков; 2. состояние системы «сток - порода зоны аэрации» благоприятствует протеканию адсорбционного процесса на что указывают: а) содержание ЫН/ в стоках и атмосферных осадках (19 мг/л) в 5,43,4 раза (или на 13,5-15,5 мг/л) превышает его содержание в породах (3,5-5,5 мг/л по водным вытяжкам из пород); это обусловливает наличие в поверхностном слое частиц породы сорбционных зарядов; б) значительные емкостные свойства пород зоны аэрации определяемые с пылеватостью песков и минеральным составом глинистых фракций: монтмориллонита (1-30%); гидрослюды (13-65%), каолинита (5-10%). Емкость поглощения песков: 6,4-14,4 и >; глин: 27-45 и > мг.экв./100 г.

Преобразование Ы03" стоков и атмосферных осадков в зоне аэрации заключается в восстановлении до газообразного молекулярного азота по схеме: 2Ы03" + ЗС —> N2 + ЗС02 при участии бакгерий-денитрификаторов. Из растворов-загрязнителей выводится около 10 мг/л N03'.

Численное моделирование процесса адсорбции иона аммония в зоне аэрации. Вычисляется количество лет (т, год) необходимых для исчерпания сорбционных ресурсов зоны аэрации (V сорбц., мг/экв) при процессе адсорбции иона аммония стоков и атмосферных осадков песчаной породой зоны аэрации (т, мг-экв./год) в _ а т-гто ж У 1.600.000.000. Шмг.жв ,„„„ „

границах АГПЗ по формуле: т = —; т=--1000 лет. В

т 150,000.000л<глкв./год

дополнение мы провели экспериментальное моделирование зависимости

адсорбции от времени и состава раствора, взаимодействующего с песками зоны

аэрации территории АГКМ. Методика и результаты лабораторных опытов

описаны в главах 4, 5 диссертации. По данным результатов распределения иона

аммония в водных растворах, взаимодействовавших с песками путем обратных

задач были определены содержания 1\ТН4* в песках.

Были рассчитаны коэффициенты сорбции ЫН4+ песками по семи опытам при времени 1, 10, 120 минут в пределах каждого опыта. Коэффициент сорбции условно рассчитан как константа сорбции Генри:

К ,- СшП)поР°ды

С0?б "с(т;)раств°р'

На основании хорошей сходимости расчетных величин КСОрб., полученных в опытах с большим временем взаимодействия растворов с песками можно предположить о достижении состояния равновесия по МН4+; при меньшем времени равновесие не достигалось.

В опытах в системе «песок - серная кислота» были получены значительно более высокие КСорб.0^Н4+), что указывает на существенное изменение песка как сорбента; то есть, возрастает сорбционная емкость песка.

Подземные воды. На основании незначительного уменьшения ТчтН4+ и Ы03" во временном режиме в подземных водах по сравнению со стоками,

поступающими из зоны аэрации можно сделать вывод об изменении концентраций азотных соединений в водонасыщенной части комплекса под влиянием смешения.

Во временных изменениях характерной особенностью является повторение этапов развития подтопления на объектах утечек.

По данным гистограмм за период 1987-1992 г. г. установлены закономерности изменения распределения азотных соединений в подземных водах техногенной области, наиболее общие из которых:

• Изменения распределения азотных соединений в подземных водах в целом для территории размещения техногенных объектов однозначны и носят характер уменьшения их содержания (Табл. 2).

■ Резкое уменьшение содержания азотных соединений в подземных водах приурочено к периоду от начала эксплуатации месторождения до конца 1991 г. С этого времени и до настоящего периода диапазон содержания в подземных водах ЫН/ < 0,1-0,7 при часто встречающихся содержаниях < 0,2 мг/л; соответственно 1Ч03' < 0,3-0,6 и < 0,3. Сумма N11/ и N0*" около 1,3 мг/л в отличие от 14; 10,6; 10 в 1987-1991 г. г.

■ Изменения содержания азотных соединений в подземных водах в многолетнем режиме, в целом незначительные, но скачкообразные.

Таблица 2

Изменения в распределении азотных соединений в подземных водах АГХК в период 19871992 г. г. по данным гистограмм

Период времени, годы Часто встреч. N11/ Часто встреч. NО; О/ макс. конц.

от-до един, случаи от-до един, аучаи

1987-1988 <0,1-2,0 >0,1 <0,3-12,0 >0,3 14 N^<N0,"

1989 <0,1-1,0 >0,1 <0,3-9,6 >0,3 10,6 N11/<N0,"

Изменения в 1989 г.по отношению к 1987-88 г.г. уменьшение нет изменений уменьшение нет изменений уменьшение нет измнении

1990-1991 <0,1-2,0 0,2-0,3; >0,4 <0,3-8.0 >1,2 10,0 < N0.*"

1992 <0,1-0,7 >0,2 <0,3-0,6 >0,3 1,3 ш4*<ыо3-

Изменения в 1992 r.no отношению к 1990-91 г. г. уменьшение установились близкие концентрации

Положение 2. Гидрогеохимическая структура четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений представлена сочетанием природной и техногенной областей. Техногенная область состоит из подобластей: 1 - внутренняя, с геохимической неоднородностью смесей, формирующихся при смешении слабо минерализованных техногенных растворов с минерализованными подземными водами природного генезиса; 2 - внешняя, где смеси распространяются с увеличивающейся в направлении техногенного потока минерализацией до фоновой. Техногенные границы для условий Астраханской области ориентировочно через 5 лет приближаются к

стационарным, указывающим на завершение формирования техногенного режима.

Гидрогеохимическая структура четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений определяется характером пространственно-временного распределения в пределах комплекса подземных вод техногенного формирования и их взаимоотношения с распределением подземных вод естественного формирования. Характер распределения подземных вод техногенного формирования, как было показано в первом защищаемом положении, отличается локальностью распространения техногенных источников питания, представленными главным образом стоками техногенных объектов. Локальность и разобщенность техногенных источников питания способствует образованию отдельных куполов подтопления на фоне подземных вод естественного генезиса.

Общая граница нарушенности подземных вод природного генезиса техногенными явлениями разграничивает территорию АГКМ на области с подземными водами: а) естественного и б) техногенного формирования. По нашему предложению она определяется как положение любого гидрогеохимического, а также гидрогеодинамического или общегидрогеологического природно-техногенного показателя, при котором разница между техногенным (на заданный период времени) и природным значениям равна нулю; например:

Д2м, г/л = Ем техн. 1991 г - Хм ест.форм-ия = 20 - 20 = 0; ДН абс.м = Н техн. 1991 г.

Данные могут быть представлены среднегодовыми, среднемесячными или за конкретное число месяца величинами.

Для территории АГКМ получены границы техногенной области, занимающей обширную площадь, объединяющую АГПЗ с прилегающими объектами, водоводы АГПЗ—>ЕСР, ЕСР—>ЗПО (Рис.3) и отдельные, незначительных размеров, площади, приуроченные к УППГ и др.

В пределах каждой техногенной области выделяются участки: а) в границах, соответствующих инфильтрации стоков и б) участки соседствующие с ними. Для первых характерно: инфильтрационное техногенное питание; максимальные для техногенных областей уровни и минимальные глубины залегания подземных вод, образующих купола подтопления; минимальные величины минерализации и концентрации компонентов, ее образующих; относительно повышенные скорости техногенной фильтрации вследствие возросшего напорного градиента; микронеоднородность поля минерализации. Для вторых: отсутствие инфильтрационного техногенного питания; распространение смесей подземных вод со стоками техногенным потоком в направлениях от участков их формирования, смесей. Скорости фильтрации и напорные градиенты понижены относительно первых участков; минерализация и концентрация компонентов возрастают в направлении техногенного потока до минерализации подземных вод естественного формирования.

Рис. 3. Схема распространения подземных вод техногенного и естественного

формирования по показателю минерализации на территории АГКМ (2003 г): 1 2 3 I-II-1[-1

Подобласти техногенного формирования: 1 - утечек стоков с минерализацией подземных вод <5 г/л; 2 -распространения смесей стоков с подземными водами, где минерализация смесей от 5 до ~ 13 г/л и>.

3 - территория вод естественного формирования, где минерализация > -13 г/л;

Рассмотренные участки в пределах техногенной области названы подобластями: первые - внутренними, вторые - внешними. В целом главным фактором техногенной области является противоположно направленное изменение минерализации и уровня подземных вод (Рис. 2; 4).

Становление техногенного режима. Прослежено по временному характеру развитие подтоплений на участках утечек стоков и распространение формирующихся смесей техногенным потоком.

По натурным данным выделяются три этапа в режиме подтопления АГПЗ.

Начальный этап (1986 по ~ 1988) резко выражен за счет техногенного питания существенным подъемом уровня (до -17 и > абс.м), уменьшением глубин залегания вод (на 3-4 м); снижением минерализации до 10 г/л; повышением температуры подземных вод (до 40°С); возникновением техногенных ъф и направленности движения вод; гидрогеохимической и гидрогеодинамической неоднородностью.

Граница техногенной области начального этапа подтопления установлена по резкому изменению величин распределения уровня и минерализации вод в мае 1988 г (Рис. 2).

На промежуточном этапе (~ 1988 по 1991) сохраняются сформированные в начальный этап характеристические показатели процесса подтопления, однако темпы его существенно замедлились (Рис. 2).

Завершающий этап подтопления (1991 - 2003 и т.д.) территории АГПЗ характеризуется постоянством режима. Он заключается в очень слабом повышении уровня подземных вод и слабом изменении минерализации. Положение границ отдельных куполов подтопления изменяется чрезвычайно

слабо. Положение общей границы распространения техногенных гидрогеологических изменений близко к стационару. Это означает, что к данному моменту времени при обычном технологическом режиме АГПЗ основные техногенные изменения произошли. В итоге сформировалась техногенная область, которая находится в условиях максимального приближения к стационару (Рис.2).

Рнс. 4. Изменение минерализации подземных вод техногенного формирования (подверженных воздействию стоков АГПЗ) по направлению техногенного потока

Моделирование гидрогеохимической структуры техногенной области четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения нефтегазовых месторождений. Моделирование пространственно-временного развития техногенной области осуществлено по методике Вальдемайера и Хаса (Митритек системе ин коарпорэйтед (США)) «Идентификация техногенного поля в подземных водах», изложенной в журнале Мониторинг и защита подземных вод -2002. Согласно данной методики исследовалась территория в радиусе 2,5 км от АГПЗ. На картах, характеризующих местоположение скважин (парные на 0шЬ\' и ОиЬг), проводились линии по направлению 3-В и С-Ю, после чего анализировалось местоположение скважин относительно проведенных на картах линий, а именно отбирались максимально вписываемые (приближенные) к проведенным линиям. Далее изучались и сопоставлялись по пространственно-временному признаку данные анализов подземной воды из скважин по показателю: Ем, С5042", СТ\'Н4+, |°С в плане и в разрезе (Рис. 5 А,В)).

По результатам анализов вод из скважин и их местоположения получена граница (Д1м = £.,ех„. - 1ф0„. = 0) техногенной области в плане и в разрезе, отделяющая техногенную область от области фонового формирования подземных вод (Рис.5(А,В)).

График, описывающий изменение минерализации подземных вод техногенного формирования (подверженных воздействию стоков АГПЗ) по направлению техногенного потока (Рис.4), на котором видно, что в пределах техногенной области условно выделяются две подобласти. Первая подобласть характеризуется неупорядоченным (неоднородным) распределением показателя Ем по отношению к направлению техногенного потока (1м ~ <1-10 г/л); вторая -взаимосвязью распределения £м с направлением техногенного потока (1М ~ от 10 до 20 «ЗшЬг)).

После этого возникла необходимость дополнить принятую методику установлением точных границ между предполагаемыми подобластями в пределах установленной техногенной области подземных вод.

Границы между подземными водами естественного и техногенного формирования, а также внутри техногенной области между подобластями

А 1 С

В я

промежуточные скважины

Рис. 5. Установление границ: (А, В) между подземными водами естественного и техногенного формирования; (С, IV) внутри техногенной области между подобластями (внутренняя и внешняя) по показателю Ем'-

1- зона аэрации; 2- (£м = 30 г/л); 3- (£м = 20 г/л); воды техногенного формирования;

4- (2М = от 10 до 20 (СкМ и 30 (СЫн)), 5- (Хм = <1-10 г/л)

(внутренняя и внешняя (Рис. 5(С,Б)) в итоге были получены по показателю Ем подземных вод исследуемого участка для 1989, 1991 и 2003 г, что позволило проследить изменения подземных вод четвертичного водоносного комплекса на территории АГХК, подвергнутых техногенной нагрузке АГПЗ в многолетнем режиме (Рис. 6). 1

Пространственно-временные границы, полученные по 2М, идентичны границам полученным по С 8042\ ЫН4+ и Гс'С.

Модель, полученная по принципу Вальдемайера и Хаса, позволяет проследить развитие техногенной области в четвертичном водоносном комплексе во времени и в пространстве, а внесенные дополнения - изучить структуру техногенной области.

-i- -ii-

Рис. 6. Схема изменения многолетнего режима подземных вод четвертичного водоносного комплекса при техногенной нагрузке на территории АГП $ (Табл. 3):

Таблица 3.

Границы внутренней и внешней подобластей техногенной области подземных вод четвертичного водоносного комплекса АГПЗ

1 Воды естественного формирования Л Волы техногенного формирования {техногенная область) Граничь1 определены по формулам:

11.2 11.1

1 - зона аэрации 2 (2,<1к 3 ОпМ' 4 (внешняя) 5 (вттренняя) 6 (КУПОЛ

■—-_^ техногенные подобласти подтопления)

1м,г/д >30 30-23 23-0 9-5 5-<1 Д£м. г/л = 1м (техн.). г/л - 1м (ест.). г/л = 0

С50'г-гЫ >10 10-5 5-0.5 0.5-0.04 0.5-0.04

Сын; >7 7-6 6-3 3-1 <1-0 С С с ю;' ' т; «—■н—'-У'м* шы*в.о

и'С 15-18 18-21 21-39 39-<60 & 1. "С = 1. "С (техн.). г/л - 1, °С (ест.), г/л = 0

Для выяснения положения в пространстве (квази- или стационарного) подземных вод техногенного формирования (техногенной области), были привлечены геометрические расчеты применительно к полученной пространственно-временной модели.

Исходя из результатов функций, описывающих натурные измерения, как и следовало ожидать, при сохранении годового объема техногенных стоков на постоянном уровне увеличение линейных размеров техногенной области весьма значительно в первые годы работы АГПЗ (1986 - 1991 гг.). В последующем эти величины растут со временем гораздо медленнее. Из результатов натурных измерений и моделирования видно, что спустя примерно 5 лет (1991 г) с начала эксплуатации (1986 г.) устанавливается квазистационарный режим, когда техногенная область увеличивается на < 15 м/год с тенденцией к дальнейшему уменьшению до < 10 м/год спустя 10 лет. Экстраполяция полученных зависимостей позволяет в частности определить, что удвоение линейных размеров внешней

подобласти (т.е. собственно всей техногенной области) по отношению к 1991 г. произойдет приблизительно за время, превышающее 500 лет.

Согласно имеющимся у нас данным приблизительно к 2009 г. система техногенной области в четвертичном водоносном комплексе либо уже достигнет стационарности, либо будет к ней достаточна близка. Проверить данную гипотезу будет возможно путем проведения натурного измерения.

Важно подчеркнуть, что в основу данной модели положены натурные данные, которые предложенная нами модель описывает с достаточно высокой точностью.

Для описания механизма взаимодействия области подземных вод техногенного формирования с фоновыми подземными водами, возможно, привлечь процесс смешения под воздействием сил гравитации, который может быть связан: 1 - с фильтрационной дисперсией, свойственной пористым средам, и приводящей к рассеянию веществ (компонентов) в фильтрационном потоке в направлении его движения; 2-е перемешиванием растворов разных концентраций за счет колебаний уровня подземных вод. В подтверждение сказанному были произведены численные расчеты, результаты которых изложены в табл. 4.

Таблица 4

Время опробования 1986 1989 1991 2003

Срок эксплуатации, лег 0 3 5 17

V (стоки), м1 0 266,510 666,125 2,264,825

Внешияя подоблаапь

А, м 0 800 2000 2100

В, м 0 1500 3900 4200

йА,м 0 400 1000 1050

•А В, м 0 750 1950 2100

Н (внеш.подобл), м 1 0 7 11 13

8 (внеш.подобл), м2 0 850000 6200000 7070000

V (внеш.подобл), м* 0 5950000 68200000 91910000

о -увеличения линейных размеров (С-Ю), м/год 0 26й 240 6

и -увеличения линейных размеров (3-В), м/гад 0 500 480 18

Внутренняя подобласть

а, м 0 500 1200 1350

Ь, м 0 1100 2850 3050

1Л а, м 0 250 600 675

V,г Ь, м 0 550 1425 1525

Н (внутр. подобл), м 0 5 9 11

8 (внутр.подобл), м1 0 360000 2400000 4530000

V (внутр.подобл), м3 0 1800000 21600000 49830000

о - увеличения линейных размеров (С-Ю), м/год 0 167 140 9

в-увеличения линейных размеров (3-В). м/год 0 367 350 12

Разница (внешняя - внутренняя подобласти)

V (шкпиюдоб.:), м1 -V (внутр п-эдрбл), м3 0 4.150.00 0 46.600.000 42.080.000

А - а, м 0 100 200 300

В -Ь, м 0 200 525 575

Положение 3. Типизация геоэкологической защищенности подземных вод по геохимическому признаку. Значимые процессы (по характеру проявления и количественным оценкам) представлены: 1 - в зоне аэрации а) нейтрализацией кислых атмосферных осадков прн сернокислотном взаимодействии с карбонатными соединениями пород; б) удалением из стоков аммония посредством адсорбции песками, характеризующимися значительной

емкостью," 2 - в водонасыщенной части водоносного комплекса - образованием смесей с минерализацией ниже природных подземных вод (20-30 г/л) вследствие их смешения со слабоминерализованными (2-3 г/л) стоками и атмосферными осадками.

При решении научно-практических задач обеспечения нормального состояния подземной гидросферы в условиях техногенных нагрузок широко используются приемы известные в отечественных работах под термином защищенность, а в зарубежных уязвимость. Н.В.Роговская, В.П.Гольдберг и другие исследователи при оценке защищенности подземных вод от загрязнения основывались на фильтрационных свойствах перекрывающих подземные воды отложений (чаще всего зоны аэрации) обусловливающих степень защищенности через время достижения загрязнителями подземных вод.

Основные особенности приема геофильтрационной защищенности (геоэкологической устойчивости по данному признаку) снижающие эффективность его использования: 1 - результаты показываются на качественном (на основе баллов) уровне; 2 - односторонность приема (геофильтрационная характеристика); 3 -Ограниченность зоной аэрации; 4 - слабая результативность итогов исследования, заключающаяся в том, что подземные воды значительных по площади территорий сложенных в зоне аэрации проницаемыми отложениями, относятся к категории не защищенных (территории с аридным климатом; в нашем случае территория Астраханского Прикаспия).

На том основании, что состав подземных вод является интегральным отражением любых природных и техногенных обстановок в любых физико-географических и геолого-гидрогеологических условиях, мы считаем, что наравне с геофильтрационными признаками необходимо также учитывать .геохимические показатели защищенности подземных вод. В нашем понимании «Геоэкологическая защищенность подземных вод по геохимическому признаку» или «гидрогеохимическая защищенность» - проявление в системах «техногенные среды - подземные воды природного генезиса» комплекса физико-химических процессов в техногенных источниках, в средах на пути к подземным водам и в подземных водах, определяемых свойствами техногенных компонентов и условиями природных и техногенных сред и приводящих к полной или частичной ликвидации негативного влияния на подземные воды со стороны техногенных нагрузок.

С нашей точки зрения «Геоэкологическая защищенность подземных вод по геохимическому признаку» с позиций вышеприведенного ее определения может широко и эффективно применяться в комплексе с понятием «защищенность» по геофильтрационному признаку, о чем дополнительно свидетельствует нижеследующее:

1. не ограничена зоной аэрации; процессы защищенности рассматриваются от источников загрязнения во всех средах на пути до подземных и поверхностных вод и в самих этих системах. Рассмотрение осуществляется на каждом уровне во взаимосвязи с предыдущими уровнями и с переходом на последующий;

2. не ограничена процессами осаждения и компонентами-загрязнителями;

3. не ограничена видами негативного техногенного воздействия;

4. оценивается количественно (%);

5. физико-химические процессы защищенности рассредоточены по миграционным системам, представленным, в отличие от природных

миграционных систем, присутствием загрязнителей или других носителей техногенных нагрузок;

6. исследование защищенности подземных вод от загрязнения базируется на систематизации процессов формирования их химического состава в техногенных условиях по характеру и условиям проявления;

7. имеет наиболее существенное значение для прогноза распространения загрязнений в подземных водах территории, где практически отсутствует геофильтрационная защищенность (территории с аридным климатом).

Нами составлена типизация основных процессов защищенности по геохимическому признаку, характерной для районов освоения нефтегазовых месторождений в аридных условиях (Схема. 1)

Типизация природных условий в целях оценки защищенности подземных вод Астраханского Прикаспия включает признаки типизации, представленные атмолитогидро- остановками природного формирования; характеристику этих признаков для типов и подтипов природных условий; оценку защищенности природных условий типов и подтипов по отношению к техногенному влиянию, вызванному освоением будущих нефтегазовых месторождений. При оценке защищенности каждая из природных сред рассматривается на основании особенностей их состава, свойств и состояния на территориях распространения подтипов и характера техногенных нагрузок, формирующихся при освоении нефтегазовых месторождений.

Для Астраханского Прикаспия с позиций защищенности по геохимическому признаку в данной работе рассматриваются загрязнители, имеющие глобальное значение для территорий освоения нефтегазовых месторождений: обобщающий показатель состава вод суммарная минерализация; сера (преимущественно в форме БС^2", также Н2Э и др.); азотные соединения в различных миграционных формах; водород по показателю рН.

Для этих показателей наряду с естественно-историческим анализом выполнены различные специальные разработки установившие достоверно процессы их трансформации в естественных и техногенных условиях. Также в перечень защищающих процессов включены процессы с некоторыми микрокомпонентами, сведения о которых получены из литературных данных.

Процессы, защищающие подземные (а также поверхностные) воды от загрязнения рассматриваются для сред: атмосферы, сосредоточивающей наземные источники загрязнения в форме атмосферных осадков и сточных вод на участках техногенных объектов; литосферы в пределах зоны аэрации; гидросферы в пределах верхней подземной ее части.

Количественная оценка защиты подземных вод через физико-химические процессы осуществляется следующим образом:

1. В результате нейтрализации: через величину рН;

2. В результате процессов, протекающих в зоне аэрации: через проценты от концентрации компонентов-загрязнителей в источниках загрязнения, то есть, в стоках и атмосферных осадках.

3. В результате процессов смешения стоков и атмосферных осадков с подземными водами естественного формирования: по формуле смешения, определяется концентрация смеси, которая сравнивается с концентрацией подземных вод природного генезиса.

Положение 4. Районирование территории АГКМ и Прикаспия по геохимическим признакам геоэкологической защищенности подземных вод, обеспечивающее значительный процент экологической безопасности в условиях освоения нефтегазовых месторождений.

Основой районирования (См.Сх.1) явилась типизация природных и техногенных условий четвертичного водоносного комплекса Прикаспия по геохимическим признакам геоэкологической защищенности от негативного влияния в условиях освоения нефтегазовых месторождений (Рис.7).

При районировании территории Астраханского Прикаспия по геохимическому признаку защищенности подземных вод от влияния освоения нефтегазовых месторождений нами были учтены данные геоморфологических характеристик, рассмотренные Синяковым В. Н. и Кузнецовой С. В.

Разработаны принципы типизации геоэкологической защищенности на примере АГКМ. Аналогия между территориями АГКМ и Астраханского Прикаспия вполне обоснована близостью природных физико-географических.

Рис. 7. Схематическое прогнозное районирование территории Прикаспия (в пределах Астраханской области) по геохимическим признакам геоэкологической защищенности

ШШК я®

/ 2 3

1 - в районах нефтегазовых месторождений в любой из техногенных областей ожидают в зоне аэрации процессы сернокислотной нейтрализации кислых атмосферных осадков с около 100%реализацией защищенности; 2-е зоне аэрации подобластей 1.1. 1.2. II. 1 морских и эоловых равнин ожидаются процессы адсорбции NH/ из стоков с 70-80% защищенности: восстанавливается NO: и NOV в Ni с 60-80% защищенности: комплекс процессов осаждения микрокомпонентов с 70-90% защищенности. В подземных водах: смешение минерализованных фоновых вод со слабоминерализованными загрязненными растворами с защищенностью 70-90%: 3 - процессы защищенности в подобластях III. 1. III.2., III.3. Области III идентичны процессам областей I и П. но выражены по сравнению с последними слабо: сорбционные процессы - вследствие меньшей глинистости пород: процессы смешения - менее минерализованных фоновых подземных вод.

Таблица 5

Типизация природно-техногенных условий территории Астраханского Прикаспия по гидрогеохимической защищенности от влияния

освоения нефтегазовых месторождений (составлена Гоман А. В., 2007) Типизация природных условий в целях оиенки защищенности

Признаки типизации Номенклатурные единицы и их показатели

Типы Подтипы

Первого порядка | Второго порядка

Атмосферные «А» - состав атмосферных осадков Изменчивость состава осадков в разные периоды внутр«годового и многолетнего режима: £м от <50 до 50-100 мг/л. Компонентный состав от НСОСаМ^ к НС0,С1/Я04 (БОДМ^аМя и к С1№

Геоморфологические «Б» - равнинно-долинный рельеф Равнины: I. - морская; И. - эоловая: III. - долинно-дельтовый рельеф. Равнины морские: Речные долины:

раннехвалынские 1.2. позд нехвал ынс кие III.1. - долины р. Волга. Ахтуба HI.2. - озерно-аллювиальная равнина дельты р. Волга 111.3. - Дельта р. Волга с протоками

Геологические «В» - литолого-минералогический состав пород зоны аэрации Песчано-глинистые отложения с карбонатными минералами. Значительная неоднородность Пссчано-су глинистый разрез Преобладание песчаных разностей

Гидрогеологические «Г» Локальное ограниченное aTMOciJtcpHoe питание. Вековая разгрузка в реки: локально ис парение м. Застойный гидродинамический режим П редр асположснность к сорбционным процессам; слабая - к смешению. Меньшая предрасположенность к сорбции; сильнее к смешению Питание: слабое атмосферное; более существенное - речное; ионносолсвым комплексом: слабая разгрузка в реки

Гид рогеох и м ич ее к ие «Д» - состав фоновых подземных вод Минерализация вод; регионального распространения 20-30 мг/л и >; локального: а) до 10 г/л; б) > 30-50 г/л 1м ДО 5-10 г/л; линзы пресных вод. Ком по HC нтн ы й состав CIn.HCOiNan.Ca 1м до 5-10 г/л; линзы пресных и вы с окоминера лизов анн ых вод. Компонентный состав Cln.HCO.iNan.Ca 1м до 4-6 г/л; линзы пресных вод. Компонентный состав HCOsCl (CIHCOj)NaCa(CaNa)

Оценка защищенности в условиях освоения нефтегазовых месторождений Атмосферы Не защищена вследствие преобладания формирования техногенной кислотности осадков над возможностью их нейтрализации

Зоны аэрации К кислым атм.осадкам Защищена вследствие присутствия во всех отложениях карбонатных минералов как основы процесса нейтрализации кислых растворов

К загрязнению NH/ Защищена, вследствие адсорбции породами с повышенной емкостью Защищена в местах утечек стоков; значительна роль глин; Слабая защищенность; в местах утечек стоков в породы песчаные Слабо защищена; породы обогащены проницаемыми разностями

К загрязнению NOj" и NO?' Защищснна. вследствие восстановления N0/ и N0? в К: в присутствии Сирг в стоках и атм. осадках Защищена т. к. ослаблено посту пление стоков с с„„.' Нсзащищена т. к. усилено поступление стоков с С^, Защищена, так как значительно поступление стоков и С,,,.,

К загрязнению микрокомпонентами Защищена вследствие обеспечения процессов осаждения микрокомпонентов в малорастворимых формах со стороны минералов и литологичсской неоднородности пород, а также окислительных \слОвий Не защищена; слабое окисление осаждению Слабо защищена; развито (умеренно) окисление осаждение Максимально защищена вследствие существенного окисления-осаждения

Подземных вод к влиянию стоков к атмосферных ОСДДКО» Защищена вследствие широко распространенного разбавления высоко минерализованных фоновых иод спабоооленьгчи техногенными водами Ззщнш ею гость обусловлена: малой прон нцасмостью пород; малыми 0 стоков, слабым разбавлением фоновых ВОД Максимальная защищенность обусловлю на большей проницаемостью и <3 стоков, существенным разбавлением фоновых ВОД Максимальная защищенность вследствие повышения разбавления фоновых вод

Речных вод к кислым атмосферным осадкам Защищены вследствие нейтрализации в донных и береговых отложениях карбонатными минералами

Таблица 6

Количественная оценка проявления процессов гидрогеохимической защищенности на территории Прикаспин

Процессы защищенности Характеристика областей и подобластей

процесс разбавления (смешение) интенсив ность

Техногенная область Внутренняя Миним. Средн. Максим. На всей территории конечный показатель Хм и С^ш«*) снижается за счет разбавления до величины в стоках

Внешняя Миним. 1.1

Средн. 1.2, II

Максим. ШЛ,1П.2ДП.З

Достижение стационарности режима Ориентировочное время установления

» 5 лет; 1.1; 1.2; II. | <5 лет: 1.1; 1.2; Ш.

Миграционные среды Защищающие процессы (%) подобласти

1.1 | 1.2 | Л | ПП | ТП.2 | П13

Зона аэрации сернокислотная нейтрализация 100

Адсорбция 70-80 70-80 70-80 >70 >70 >70

60-80 60-80 60-80 >60 >60 >60

Подземные воды смешение 70-90

геолого-гидрогеологических условий и идентичностью техногенного воздействия на них нефтегазовых месторождений.

Основные физико-химические процессы, защищающие подземные воды Астраханского Прикаспия от негативных нагрузок нефтегазового освоения, как не раз упоминалось в данной работе, являются общими для всей этой территории. Разнообразие их количественного проявления, являющееся результатом некоторого различия природных условий отдельных площадей территории (областей и подобластей) приведены в табл. 6 и на рис. 7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлена техногенная область четвертичного водоносного комплекса в условиях освоения АГКМ. Изучена структура техногенной области с установившимися гидрогеодинамическими и гидрогеохимическими особенностями; а) проанализированы и систематизированы общие сведения о территории Астраханского Прикаспия, на основании которых выполнена ее физико-географическая и геолого-гидрогеологическая характеристика; б) в качестве природного фонового состояния подземной гидросферы дана детальная конкретизированная гидрогеологическая характеристика четвертичного водоносного комплекса, включающая подробное всесторонне описание лигологического, минерального и геохимического состава пород, условия залегания подземных вод, гидрогеодинамическую обстановку и балансовые особенности исследованного водоносного комплекса; в) проанализированы гидрогеохимические условия четвертичного водоносного комплекса до освоения АГКМ, характеризующие химический состав подземных вод, процессов его формирования и проведена систематика процессов; г) осуществлена систематизация источников техногенного воздействия на подземную гидросферу АГКМ, проанализированы степень, масштабы и направленность техногенных преобразований подземной гидросферы.

2. Натурными режимными исследованиями обоснована практическая неизменность с середины 1991 г. общей границы распросгранения техногенно измененных подземных вод, обусловленная формированием структуры техногенной области, плановая граница которой имеет квазистационарный характер и близка к стационарной. Весьма целесообразно при планировании наблюдательной сети ориентироваться на положение о том, что границы техногенных областей в районах освоения нефтегазовых месторождений имеют стационарное состояние, устанавливаемыми в условиях Прикаспия с учетом технологического режима планируемых нефтегазовых комплексов, аналогичного АГКМ, по прошествии примерно пяти лет с начала освоения.

3. Установлены физико-химические процессы, приводящие к снижению концентраций химических компонентов в системах: «техногенные расгворы-порода зоны аэрацию) и «техногенные растворы-природная подземная вода»; а) Осуществлена систематизация процессов техногенного воздействия компонентов-загрязнителей атмосферы и наземных техногенных источников на подземные воды посредством трансформации этих компонентов в зоне аэрации и водонасыщенной части четвертичного водоносного комплекса; б) наиболее существенными компонентами техногенных объектов на территории АГКМ, исходя из состава

источников воздействия, представлены соединениями серы и азота в различных формах, атмосферными осадками с низкими значениями рН, характерными восстановительными условиями стоков; в) всестороннее изучение процессов преобразования химических компонентов показало, что по характеру и количественно они наиболее значимо выражены в зоне аэрации и в подземных водах на участках смешения со стоками; по большинству компонентов, а также минерализации не способствуют загрязнению подземных вод. Последнее обусловлено процессами вывода компонентов-загрязнителей из стоков и нейтрализации кислых рН в пределах зоны аэрации и процессами смешения высококонцентрированных подземных вод с менее концентрированными стоками на участках утечек.

4. Оценены количественно значимые с позиций уменьшения техногенного воздействия на подземные воды процессы, проявляющиеся в зоне аэрации: адсорбция ЫН/ и восстановление Ы03" в N2, нейтрализация кислых атмосферных осадков.

5. Установлено, что площадное влияние атмосферы на природные среды районов нефтегазового освоения, представленное кислыми атмосферными осадками, вследствие нейтрализации последних в пределах зоны аэрации, не имеет техногенного влияния на подземные воды.

6. Обоснована геоэкологическая защищенность подземных вод в условиях освоения нефтегазовых месторождений на примере АГКМ; разработаны принципы геоэкологической защищенности и выполнена классификация процессов геоэкологической защищенности в условиях освоения нефтегазовых месторождений в аридных областях. Установлено, что максимальная по величине и набору компонентов геоэкологическая защищенность по геохимическому признаку приурочена к техногенной области формирования смесей подземных природных вод со стоками и другими техногенными растворами. В геоэкологической защищенности процесс смешения действенен по отношению ко всем компонентам стоков и других загрязнителей, другие процессы (адсорбция, разные виды осаждения, нейтрализация и пр.) значимы относительно отдельных компонентов.

7. Осуществлено районирование территории Прикаспия (в пределах Астраханской области) по условиям геоэкологической защищенности четвертичного водоносного комплекса в пределах водонасыщенной его части, в зоне аэрации. В основу районирования положены пространственно-типовой принцип и характеристика процессов, обеспечивающих защищенность.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Гоман, А. В. Геоэкологическое состояние верхней части подземной гидросферы Астраханского Прикаспия / А. В. Гоман // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - Астрахань, 2005. - №3 (12). - С. 217-223.

2. Питьева К. Е, Гидрогеохимические процессы техногенеза подземной гидросферы АГКМ / К. Е. Питьева, А. В. Гоман // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - Астрахань, 2005. - №3 (12). - С. 6774.

3. Гоман А. В. Инженерно-геоэкологическое районирование территории Прикаспийской впадины / А. В. Гоман, О. И. Серебряков // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. — Астрахань, 2005. - №3 (12). -С. 161-165.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах

конференций:

4. Гоман, А. В. Характеристика промышленных и рекреационных вод Прикаспийского региона / А. В. Гоман, А. О. Серебряков // Биосфера и человек: проблемы взаимодействия: Материалы IV Всероссийской науч.-практич. конф. (Пенза, апрель 2002 г.). - Пенза: Изд-во ПГСХА, 2002. - С. 202-204.

5. Гоман, А, В. Бальнеологические и промышленные воды Астраханской области / А. В. Гоман // Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного Прикаспия: Материалы V Всероссийской науч. конф. (Астрахань, 9-10 октября 2002 г.). Астрахань: Изд-во АГПУ, 2002. - С. 183-185.

6. Гоман, А. В. О промышленном применении подземных вод Прикаспийского артезианского бассейна / А. В. Гоман // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - Астрахань, 2003. - №4-5. - С. 24-26.

7. Гоман, А. В. Геохимические особенности пород четвертичного водоносного комплекса / А. В. Гоман // Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря: Материалы VI Международной науч. конф. (Астрахань, 15-16 октября 2003 г.). Астрахань: Изд-во АГУ, 2003. - С. 215-218.

8. Гоман, А. В. Сорбционное концентрирование металлов П-В из растворов подземных вод сорбентом С-3 / А. В. Гоман // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - Астрахань, 2004. - №3 (9). - С. 164179.

9. Гоман, А. В. Миграция и распределение галоидов в надсолевом этаже подземной гидросферы АГКМ / А. В. Гоман // Минералогические музеи: Сборник материалов V Симпозиума (Санкт-Петербург, 14-17 июня 2005 г.). СПб.: Изд-во СПбГУ, 2005. - С. 309-311.

10. Гоман, А. В. Гидрогеологические условия и гидрогеохимическая характеристика подземной гидросферы Астраханского Прикаспия / А. В. Гоман, О. И. Серебряков // Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых: Сборник материалов Всероссийской науч. конф. (Томск, 11-14 октября 2005 г.). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2005. - С. 479-482.

11. Гоман, А. В. Гидрогеодинамические факторы защищенности подземных вод морских хвалыно-хазарских отложений Астраханского Прикаспия / А. В. Гоман, О. И. Серебряков // Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых: Сборник материалов Всероссийской науч. конф. (Томск, 11-14 октября 2005 г.). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2005. -С. 91-97.

12. Гоман, А. В. Геологические элементы защищённости подземной гидросферы Астраханского Прикаспия / А. В. Гоман // Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии: Сборник материалов Международной науч. конф. (Москва, 25-27 октября 2005 г.). М.: Изд-во Российского государственного университета им. И. М. Губкина, 2005. - С. 404-409.

13. Гоман, А. В. Комплексный подход к гидрогеологической защищённости подземной гидросферы АГКМ / А. В. Гоман И Фундаментальные проблемы

28

нефтегазовой гидрогеологии: Сборник материалов Международной науч. конф. (Москва, 25-27 октября 2005 г.). М.: Изд-во Российского государственного университета им. И. М. Губкина, 2005. - С. 398-403.

14. Питьева, К. Е., Гоман А. В., Серебряков А. О. Геохимия подземных вод в условиях освоения нефтегазовых месторождений: Моног./Астрахань: ИД «Астраханский университет», 2006. - 223 с.

15.Питьева, К. Е. О значимых, но слаборазработанных проблемных вопросах эколого-гидрогеохимического мониторинга /К. Е. Питьева, А. В. Гоман // Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе (теоретические проблемы, региональные модели, практические вопросы): Юбилейный сборник научных трудов ИППГ РАН / Отв. ред. ак. А. Н. Дмитриевский, А. А. Карцев, Л. А. Абукова: М.: ГЕОС, 2007. - С. 377-380.

16. Гоман, А. В. Гидрогеохимическая защищенность атмогидролитосферы в условиях эксплуатации нефтегазовых месторождений / А. В. Гоман // Проблемы геологии и освоения недр: Сборник материалов Всероссийской науч. конф. (Томск, 22-24 октября 2007 г.). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. - С. 260-262.

17.Питьева, К. Е. Особенности гидрогеохимических преобразований в четвертичном водоносном комплексе Астраханского Прикаспия под атиянием эксплуатации нефтегазовых месторождений / К. Е. Питьева, А. В. Гоман // Ломоносовские чтения на кафедре гидрогеологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова (Москва, 18 апреля 2007 г.). Официальный сайт геологического факультета МГУ им. Ломоносова.

18.Питьева, К. Е. Формирование гидрогеохимической структуры в условиях эксплуатации нефтегазовых месторождений на территории Прикаспийского артезианского бассейна / К. Е. Питьева, Ф. И. Тютюнова, А. В. Гоман // Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии: Материалы VI международной научно-практической конференции (Астрахань, сентябрь 2007 г.). Астрахань: ИД «Астраханский университет», 2007. - С. 142-146.

19.Питьева, К. Е. Эколого-гидрогеохимический мониторинг: основные задачи / К. Е. Питьева, А. В. Гоман // Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе (теоретические проблемы, региональные модели, практические вопросы): Юбилейный сборник научных трудов ИППГ РАЛ / Отв. ред. ак. А. Н. Дмитриевский, А. А. Карцев, Л. А. Абукова: М.: ГЕОС, 2007. - С. 380-383.

20.Гоман, А. В. Трехмерная натурная модель структуры и динамики области подземных вод четвертичного водоносного комплекса, подверженной техногенному воздействию АГПЗ / А. В. Гоман // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - Астрахань, 2008. -№4-5. - С. 22-26.

Заказ № 1954. Тираж 100 экз.

_Уч.-изд. л.1,8. Усл. печ. л.1,7._

Издательский дом «Астраханский университет» 414056,г. Астрахань, ул. Татищева, 20 Тел. (8512) 48-53-47 (отдел маркетинга), 48-53-45 (магазин), тел. (8512) 48-53-44; тел./факс (8512) 48-53-46 E-mail: asupress@yandex.ru