Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геохимические изменения геологической среды при разработке сероводородсодержащего Астаханского газоконденсатного месторождения

ВАК РФ 04.00.13, Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Геохимические изменения геологической среды при разработке сероводородсодержащего Астаханского газоконденсатного месторождения"



« На правах рукописи

БЕССАРАБОВА ТАМАРА ДЛУДОВНА

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СЕРОВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕГО АСТРАХАНСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность:

04.00.13 - Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1997

- г -

Работа выполнена в Астраханском научно-исследовательском и проектном институте (АстраханьНИПИгаз).

Научные руководители: доктор геолого-минералогических нау?

профессор К.Е.Питьева (МГУ, г.Москва)

доктор геолого-минералогических науь О.И.СеребрякоЕ (АНШИгаз, г.Астрахань)

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Е.Б.Стадник (ВНШгеосисте).' г.Москва)

кандидат геолого-минералогических нзук В.А.Бушмакин (НПГП ВНИИЯРГ, г.МоскЕа)

Ведущее предприятие: НЩ "Геохимия" (г.Москва)

Защита диссертации состоится 86 " июня 1997 г. в 14 часе на заседании Диссертационного совета Д.071.10.01 по защите диссер таций на соискание ученой степени кандидата наук при Всероссийскс научно-исследовательском институте геологических, геофизических геохимических систем по адресу: 113105,г. Москва, Варшавское шоссе д.8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНШгеосистем. Автореферат разослан " " мая 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор геолого-минерадогических наук,

профессор В.С.Лебеде

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы заключается в том, что на современном этапе научно-технического прогресса геологическая среда испытывает все возрастающее техногенное воздействие объектов нефтегазодобывающей и химикоперерабатывающей промышленности, а масштабы негативного воздействия соизмеримы с естественными природными процесса/л.

Функционирование Астраханского газоконденсатного комплекса (АГК) на базе уникального и крупнейшего в мире месторождения с высоки.! содержанием сероводородора сопровождается поступлением е окружающую среду разнообразных по фазовому состоянию и степени воздействия компонентов. Наличие вблизи комплекса многочисленных населенных пунктов и крупнейшей водной артерии - реки Волга, являющейся источником питьевого водоснабжения и активной хозяйственной деятельности, остро ставит вопрос исследования степени геохимического преобразования природной, и в частности, геологической среды в результате освоения Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ). Вместе с тем, в области геохимии многими учены»,® (Н.В. Ро-гоескзя, В.М. Гольдберг, P.M. Забулис, В.Г. Самойленко, К.Е.Питьева и др.) установлено, что масштаб геохимических преобразований подземной среды в условиях техногенной нагрузки зависит не только от внешнего влияния, но и от способности самой среды противостоять ему. Такая способность характеризуется понятием "защищенность" среды.

Теоретические и методологические аспекты защищенности геологической среды и особенно подземных вод, как наиболее подвижной ее составляющей, от техногенной нагрузки находятся на стадии разработки. Поэтому при исследовании геохимической защищенности геологической среды территории Астраханского газоконденсатного комплекса от широкого по спектру техногенного воздействия необходим научно обоснованный комплексный подход с геологических, гидрогеологических и геохимических позиций.

Цель работы состоит в исследовании степени и направленности геохимических изменений геологической среды, в целом, и подземных вод, в частности, под воздействием объектов сероводородосодержащего Астраханского газоконденсатного месторождения-гиганта, разработка которого осуществляется в сложнейших геолого-гидрогеологических и ландшафтно-шшматических условиях (район пустыни и полупустыни,

аридный климат). Для этого решались следующие задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование динамики ] степени геохимического изменения геологической среды;

2. Выявление и оценка источников геохимического воздействю Астраханского газового комплекса на геологическую среду;

3. Систематизация фоновых (до эксплуатации АГК) геологических геохимических и гидрогеодинамических услоеий территории;

4. Изучение характера и степени геохимических преобразовали] геологической среды территории АГКМ е условиях различного по видам, объемам и интенсивности техногенного воздействия;

5. Установление масштабов геохимических изменений состава подземных вод под влиянием техногенного воздействия АГК;

6. Разработка геохимических, гидрогеологических и геологически: критериев комплексной оценки геохимической защищенности подземно: среды Астраханского ГКМ;

7. Районирование территории по степени и направленности геохимических преобразований недр.

Научная новизна заключается в следующем:

1. На теоретической основе, посредством естественноисторичес кого анализа геолого-гидрогеологических условии территории, осу ществлена оценка защищенности геологической среды в условиях экс плуатации Астраханского ГКМ;

2. Получены новые представления о геохимических преобразовали ях в системе "техногенное воздействие - порода - подземная вода" н месторождениях газа с высоким содержанием сероводорода.

3. Разработаны и внедрены геохимические, геологические и гид рогеологические критерии оценки геохимической защищенности террито рии от техногенного влияния в процессе разработки сероводородосо держащих газоконденсатных месторождений.

4. Выполнена оценка геохимической защищенности недр по комп лексу геологических, гидрогеологических и геохимических показате лей, определяющих направление и степень преобразования геосреды.

5. Проведено районирование территории АГКМ по степени геохими ческой защищенности от техногенного влияния.

Практическая ценность работы определяется использованием науч но-производственных разработок диссертации при внедрении инженерно системы защиты недр от неблагоприятного геохимического воздействи газоперерабатывающих комплексов и повышения вследствие этого эконо

мической эффективности освоения Астраханского ГКМ. Теоретические, методические, технологические, геолого-геохимические и гидрогеологические разработки по геохимической защищенности недр, выполненные автором, использоганы при обосновании экологического мониторинга за подземными водами в РАО 'Тазпром", оценке воздействия Астраханского ГК на окружающую среду и здоровье населения (ОВОС) Комитетом Российской Федерации по геологии и использованию недр, Комитетом экологии и природопользования, а также внедрены при освоении Астраханского ГШ.

Апробация работы. Основные положения работы и рекомендации апробированы на Всесоюзных и региональных научно-технических конференциях и совещаниях: "Всесоюзная научно-практическая конференция по проблемам экологии и воздействия природного газа на организм" (Астрахань, 1989 г.,1990 г.), "Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки" (Москга, 1991 г.), "Всесоюзная конференция по токсикологии" (Ленинград, 1991 г.), "Экологические проблемы при разработке высокосернистых месторождений при разработке высокосернистых месторождений природного газа" (Москва, 1992 г), "Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых месторождений России" (Астрахань, 1993 г), "Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода" (Саратов, 1996 г), на секциях Ученых СоЕетов АстраханьНШШгаз и других институтов в 1988-1997 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ, три работы находятся в печати.

Фактический материал и личный вклад. Развиваемые в диссертации положения базируются на результатах научных, экспериментальных и полевых исследований автора за период с 1984 по 1997 годы. В основу положены материалы, полученные автором в научно-исследовательских и проектных институтах (ПНШС, МГУ, Волго-УралНИШгаз, АстраханьНШШ-газ, ВолгИСЖ, АстраханьгипроЕОДхоз, Астраханская нефтегазоразведоч-ная экспедиция, Приволжская геологоразведочная экспедиция) и других организациях. Исследования базируются на десятке тысяч анализов керна и проб пород, более трех десятков тысяч химических анализов подземных вод, а также на материалах бурения, геологических, геохимических, гидрогеологических, гидрохимических, гидродинамических и

других исследованиях, выполненных с участием автора.

Учитывая сложность проблемы и недостаточную изученность рассматриваемых Еопросов, автор работы в процессе подготовки и выполнения исследований пользовался советами, консультациями и получа; конкретную помощь от В.А. Григорова, Л.М. Зорькина, А.Ф. Ильина, B.C. Лебедева, ю.И. Круглова, Г.В. Кутлусуриной, Е.В. Стадника; В.Г. Хадыкина, В.Д. Щугорева и многих других, которым выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность.

Особую признательность автор выражает научны)/ руководителя] работы - Питьевой Кларе Ефимовне и Серебрякову Олегу Ивановичу з, огромную помощь и поддержку при разработке основных концептуальны положений работы, формирование научно-философского подхода к решению исследовательских и прикладных задач.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения шести глав и гаключения. Общий объем - страниц, включая страниц текста. Работа иллюстрирована 18 рисунками и содержит 2 таблицы. Список использованной литературы включает 72 наименовали работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой глаге "Теоретические основы геохимической защищенное ти геологической среды от техногенного воздействия" показано, чт степень геохимических преобразований подземной среды зависит н только от направления, масштабов и интенсивности воздействия, но от способности самой среды противостоять таким воздействиям. Разрг ботки по защищенности подземной среды от техногенной нагрузки, ос нованные на принципах геофильтрационного строения пород, впервь были предложены Роговской Н.В. и Гольдбергом В.М. Этими и другим авторами учитывается строение геологического разреза, исходя у системы чередования и суммарной мощности водонепроницаемых отложе ний. Основные, разработанные к настоящему времени позиции защищен ности, заключаются в использовании в качестве базовой единицы -баз лов, принимаемых за время фильтрации стоков и загрязненных осадкс через зону, сложенную хорошо проницаемыми породами (К=2 м/сут) определяемое по известной формуле Цункера:

t = (цНо/k) С m/Ho-ln (i+m/Ho) ],

где Но - высота столба сточных еод;

кит- соответственно коэффициент фильтрации и мощности толщи, р. - недостаток насыщения пород (|1=п-пй), п - пористость,

па- начальная влажность пород.

Для оценки времени движения стоков и загрязненных атмосферных осадков через двухслойный рзэреэ можно ограничиться определением по формуле Цункера Бремени движения стокое через слабопроницаемый слой путем использования в этой формуле параметров слабопроницаемого слоя. В случае неоднородного слоистого строения зоны аэрации возможно приведение неоднородного разреза к однородному со средним коэффициентом фильтрации, определяемым по формуле:

Кср= гп/(Ш1/к1+т2/к2+ . •. +т1/к1),

где пи, Ш2,..., и к1, кг.....к^- соответственно мощности и

коэффициенты фильтрации слоев; ш - мощность зоны аэрации (щ=Я11+Ш2+.. .+1111).

При фильтрации с поверхности земли сточных еод, сбрасываемых с постоянны?.! расходом Ц в приемник площадью Р, могут быть деэ случая. Если q < к, где к- коэффициент фильтрации пород зоны аэрации в случае однородного разреза, а д=0/Р, то попадающие на поверхность земли сточные воды полностью уйдут на фильтрацию, не образовав на поверхности столбэ воды (Но=0). Если же ч > к, го на поверхности земли образуется изменяющийся во времени столб сточных вод Но=£(1).

Оценка геохимической защищенности напорных подземных еод может быть выполнена по времени фильтрации техногенно измененных вод из вышележащего безнапорного горизонта в напорный горизонт через разделяющий эти горизонты Еодоупор. Время фильтрации зависит от мощности водоупора то, соотношения уровней Но-напорного горизонта и Н1- вышележащего горизонта, коэффициента фильтрации пород ко и оценивается по формуле:

1=то2-п-/ко-( Н1-Н2) Оценка защищенности выполняется при Нг < Н1, т.к. в этом слу-

чае существуют гидродинамические условия для перетекания преобразс ванных вод ениз по разрезу.

Геохимическая защищенность геологической среды определяете ' комплексом геолого-структурных и геофильтрационных, гидродинамичес ких и гидрогеохимических факторов. К геолого-структурным относятс наличие в'разрезе слабопроницаемых или практически водонепронйца« мых пород, их мощность, процентное соотношение с проницаемыми поре дами, минеральный состав пород. К геофилътрационным - козффицие! фильтрации, пористость, недостаток водонаоыщения. К гидрогеодинамз ческим - глубина залегания уровня подземных вод, соотношение уровг Еыше- и нижезалегающих горизонтов, величина напора. К гидрогеохиш ческим относятся химический состав подземных вод, геохимичесю свойства отдельных компонентов подземных еод, их миграционная спс собность, емкостные и сорбционные свойства пород.

Геохимическая значимость защищенности геологической среды 01 ределяется по геолого-структурным позициям - через возможное: распространения техногенного влияния в подземные воды гидросфер! по геофильтрационным - через скорость, время, интенсивность рас1 ространения техногенного влияния; по гидрогеодинамическим - чере направление распространения техногенного елияния; по гидрогеохиш ческим - через физико-химические процессы, приводящие к выводу I подземных вод Ередных компонентов или их преобразованию в мен( вредные и безвредные.

Таким образом, теоретические положения геохимической защище! ности геологической среды от техногенного воздействия вытекают I комплексного анализа состояния подземной сферы в условиях Астр; ханского ГКМ. Принципы исследований геохимической защищенности о а вывантся на следующих положениях ( по Питьевой К.Е., Гольдбер! В.М. и др.):

- классификация объектов и оценка концентрации по площади и вр< мени, поступающих в подземную среду вследствие техногенеза,

- изучение структурных, литологических, минералого-геохимичесга и емкостных свойств пород геологического разреза,

- исследование гидрогеологических факторов геохимической защище! ности подземной гидросферы от техногенного воздействия,

- установление характера физико-химических процессов в систе1 "геохимическое воздействие - порода - подземные воды",

- типизация геохимических процессов и районирование территории ]

геохимическим показателям,

Во второй главе "Классификация источников и путей геохимического воздействия на геологическую среду территории АГКМ" приводится классификация и характеристика источников-объектов воздействия по степени и интенсивности их геохимического влияния на преобразование подземной среды е районе исследований. Источники техногенного воздействия делятся на глубинные (газоконденсатная залежь, полигон подземного захоронения стоков) и поверхностные (воздушные, жидкие и твердые). Для каждого источника или объекта определен тип воздействия и пути распространения в геологической среде, выделены компоненты, воздействующие на геологическую среду и исследован механизм преобразования подземной среды.

Поверхностные источники, вызывающие геохимическое преобразование геологической среды, классифицируются на промышленные и хозяйственно-бытовые отходы, стоки очистных сооружений и атмосферные, в виде газовой составляющей и осадков.

Промышленные отходы включают в себя промышленные жидкие стоки и твердые отходы, получаемые в результате технологических процессов производства. Промышленные стоки по замкнутой сети подаются на полигон глубинного захоронения (ППЗ), а твердые отходы складируются на поверхности (склады серы, полигон твердых отходов).

К основным компонентам промышленных отходов относятся: сера, органические соединения, углеводороды, нефтепроизводные, микрокомпоненты (особенно тяжелые металлы и другие). К основным компонентам хозяйственно-бытовых отходое относятся азотные соединения, ион хлора от Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ), сопутствующих объектов (установки по переработке газа, жилые объекты), сельскохозяйственных угодий, водонесущих коммуникаций внутризаводской территории и от нее к сопутствующим объектам.

Техногенные стоки очистных сооружений (отдельные заводские установки, канализационно-очистньге и водоочистные сооружения, установки по переработке газа, емкость сезонного регулирования, зона полей орошения) содержат значительное количество высокоактивных геохимических компонентов (ион аммония, соединения азота и серы, микрокомпоненты, ион хлора и другие). По величине рН эти воды нейтральные, реже слабощелочные, ЕЬ от минус 35-75 до плюс 30-45 мВ. В атмосферу от объектов газового комплекса привносятся соединения серы (Н22, 502) и азотные соединения (преимущественно КН4+), а также

окись углерода (СОг) и микрокомпоненты (бор, фосфор, марганец, л тий и др.). Наиболее мощными источниками воздействия на геосрб через атмосферу являются эксплуатационные и разведочные скважш промышленные объекты, в т.ч. газоперерабатывающий комплекс. Б щ цессе функционирования АГК атмосферные осадки обогащаются, прей, щестЕенно, гидрокарбонатными, кальциево-магниевыми компонентам вследствие чего они характеризуются значительным диапазоном (4-7,9) и положительными величинами окислительно-восстаноЕительнс потенциала (+134 - +454 мВ). Пути распространения техногенного ы яния от источников исследуются по схеме: геологическая среда, за: самая подвижная ее часть - подземные воды и в конечном результате речные воды Волго-Ахтубинской пошлы.

В третьей главе "Геалаго-структурные элементы геохимичесс защищенности подземных недр" освещаются основные элементы геолог ческого строения юго-западной части Прикаспийской впадины - дреЕ* го погребенного Астраханского сводообразного поднятия, выделяемс на стыке Прикаспийской впадины и Скифской (Предкавказской) плиты, тектоническом отношении исследуемая территория Астраханского га: конденсатного месторождения относится к слабонарушенной зоне, связи с решением задач по определен!® влияния глубинных источит техногенного воздействия на породы и подземные воды четвертич* отложений, а также гидродинамически связанных с ними речных еод С ли рассмотрены показатели защищенности пород Есего геологическс разреза исследуемой территории. В разрезе выделены следующие ли: лого-структурные этажи, различающиеся по степени геохимической : щищенности: подсолевой, соленосный и нздсолевой.

К подсолевому комплексу относятся отложения, представлен! породами каменноугольного возраста. Геохимическая его защищенное обусловлена перекрытостыо региональным соленосным флюидоупором.

Соленосный этаж представлен геохимически устойчивыми хемогс ними порода1.«! филлиповского и кунгурского ярусов нижней перьми, г ляющимися региональным флюидоупором Прикаспийской впадины.

НадсолеЕой этаж представлен отложениями от верхнепермского современного Еозраста преимущественно терригенного состава. Прою новение и влияние компонентов газоконденсатной залежи на геосрб надсолевого этажа сильно затруднено наличием мощной толщи соля> отложений. Оно бозможно только по зонам нарушений, сопровождаю!! диапировые соленосные структуры. Зоны нарушений распространены с:

бо, поэтому влияние компонентов газоконденсатной залежи на надсоле-вой этаж практически отсутствует. Наличие е надсолевых отложениях глинистых слоев различной мощности затрудняет миграцию компонентов залежи вверх по разрезу. Однако, в аварийных ситуациях при бурении или эксплуатации скважин, когдз происходит нарушение сплошности отложений, возможны межпластовые перетоки флюидов в пределах приза-бойной зоны.

Таким образом, геолого-структурные особенности исследуемой территории позволяют заключить, что геохимическая защищенность подземной среды зависит от особенностей геологического строения территории, рассматриваемого с позиций наличия в разрезе непроницаемых и проницаемых пород и их соотношения, мощности и региональной выдержанности пород.

При более детальном рассмотрении в пределах надсодевого этажа по степени и характеру геохимической защищенности выделяются нижний (верхняя пермь - мел), средний (палеоген - неоген) и верхний или покровный (плиоцен - голоцен) подэтажи. Плиоцен-голоценовые отложения в соответствии с унифицированной каспийской стратиграфической схемой сопоставлены с морскими отложениями четвертичного Еозраста (бакинские, хазарские и хвалынские), а также с современными образованиями.

НшшеплейстоценоЕые (бакинские) отложения (С^Ь) залегают на размытой поверхности апшеронских пород надсолевого этажа. В основании этого горизонта повсеместно залегают пески мощностью от 4 до 15 м, Еыше по разрезу следует монотонная толща гидрослюдисто-монтмо-риллонитовых глин. Мощность бакинских отложений, в зависимости от структурных условий и величины предхазарского размыва, изменяется от нескольких десятков метров до 110 м. Характер залегания, повсеместное распространив, выдержанная мощность водоупорных глин позволяют отнести коллекторы бакинского горизонта к надежному геологическому элементу геохимической защищенности четвертичных отложений.

Среднеплейстоценовые (хазарские) отложения (ОгЬг) залегают трансгрессивно на поверхности бакинских осадков. Терригенные породы хазарского яруса содержат на основной части территории АГКМ глины мощностью 15-20 м. Глины не имеют площадного регионального распространения, содержат линзы, пропластки песков и не могут быть приняты за отложения, существенно предохраняющие подстилающие их пески от техногенного воздействия наземных источников.

Берхнещейстоценовые (хвалынские) отложения (ОзЬ1/) представле ны литологическими разностями: песками, глинами, суглинками, супе сями. В отличие от хазарских отложений, хвалынские образования поч ти полностью представлены песками. Глины и суглинки регионально вь держанного площадного распространения не получили и залегают линзе еидно. Мощность горизонта варьирует в пределах от 5 до 12,5 м. Сте пень геохимической защищенности хвалынских отложений от влияния на земных источников геохимического воздействия практически отсутству ет, так как они не перекрыты надежным водоупором и представлены, основном, песчаными фракциями, которые характеризуются высокие фильтрационными свойствами.

Высокая геохимическая защищенность четвертичных отложений на; солевого этажа, испытывающих основную нагрузку техногенного харак тера с поверхности земли, от ЕоздейстЕия на них глубинной зале» обусловлена перекрытостыо региональными флюидоупорными глинами ак чагыльского, апшеронского и бакинского возраста мощностью до 230 V

Таким образом, отмечено два уровня защищенности геологическог разреза территории Астраханского ГКМ. Первый уровень, приближающий ся по значению к глобальному, обуславливает защищенность наличие надежных экранов значительной мощности. Защищающий характер для сс лей кунгурского яруса верхнепермских отложений состоит в наличл сульфатгалогенкых солей мощностью в штоках куполов выше 3 юл, межкупольных депрессиях несколько меньше. Кроме этого, роль их качестве защищающих усилена слабой тектонической нарушенностыс Второй уровень защищенности - менее значительный, представлен гли нистыми породами небольшой мощности внутри самого надсолевого тер ригенного разреза. Для надсолевых отложений защищенность обусловле на наличием кунгурских и акчагыл-апшерон-бакинских водоупорных гли (песчаные фракции либо полностью отсутствуют, либо их мощность неэ начительна) и физико-механическими свойствами глин, особенно при сутстЕие в их составе монтмориллонита.

В четвертой главе "Гидрогеологические факторы защищенное! подземной гидросферы от техногенного воздействия" изложены резуль таты исследований геохимической защищенности геологической среды позиций гидрогеологических условий территории.

На территории исследований подземная гидросфера представлен системой, в состав которой входят гетерогенные водоносные комплекс подземных вод. в гидрогеологическом разрезе, в соответствии с гес

лого-структурным расчленением, выделяются следующие различные по генезису Еодоносные этажи: подсолевой, соленосный и надсолеЕой.

Рассмотренные выше геологические показатели геохимической защищенности геолого-структурных этажей указывают на их весьма высокую степень защищенности от влияния на эти этажи газоконденсатной залежи и техногенного елияния СЕерху от объектов Астраханского га-зоконденсатного ко!,шлекса. Основное техногенное Елияние испытывает Еерхний водоносный подэтаж надсолевых отложений от объектов комплекса. Он первым принимает техногенную геохимическую нагрузку от наземных источников загрязнения. Этот подэтаж охватывает подземные воды четвертичного возраста. ВодоЕмещэющие породы залегают плащеоб-разно на нижележащих отложениях. Водоносность этажа связана преимущественно с обводненностью хазарских и хвалынских пород.

Четвертичный гидрогеологический этаж изолирован от нижераспо-. ложенных еодоносных комплексов и практически не подвержен елиянию природных глубинных флюидов. Об этом свидетельствуют значительные различия е концентрации сульфатов магния в водах четвертичных (в среднем около 3,0 г/л) и дочетЕертичных (следы до полного отсутствия) еодоносных комплексов, что обусловливается окислительной обстановкой в первом и восстановительной в подстилающих водоносных комплексах. Кроме этого, они отличаются гидрогеохимическими закономерностями, объясняемыми изолированностью этих комплексов друг от друга. Так, воды четвертичного комплекса характеризуются пестротой минерализации (от пресных до 75 г/л и более), что является результатом их формирования под влиянием атмосферного питания, испарения, взаимодействия с породами. Воды более глубокозалегающих комплексов характеризуются слабой изменчивостью минерализации (в среднем 25-30 г/л и более) и преобладанием в компонентом составе хлоридов натрия, что является следствием их гидрогеологической изолированности и застойности.

Четвертичный еодоносный комплекс подстилается мощной водоупорной толщей бакинских глин, подстилаемых не менее мощными апшеронс-кими глинами. Глины плотные, тугопластичные, характеризуются низкой водопроводимостью, коэффициенты фильтрации варьируют в пределах 0,001-0,005 м/сут. По условиям залегания, повсеместному простиранию и выдержанной мощности глины бакинского возраста являются региональны}/ геохимическим водоупорным барьером для нижележащих пород.

Подземные воды четвертичного еодоносного комплекса распростра-

нены почти повсеместно. Средняя мощность водовмещающих отложений i рассматриваемой территории достигает 70 м. Коэффициент фильтрату пород изменяется от 1 до 12 м/сут-, породы характеризуются больше фильтрационной неоднородностью. Водопроводимость колеблется от 5 z 225 м2/сут е зависимости от мощности водовмешэщей толщи. Воды чет вертичного комплекса преимущественно безнапорные. Для водоносног комплекса характерен уклон поверхности еод е сторону Болго-Ахту бинской пойми и Каспийского моря. Гидравлические уклоны е степнс части изменяются е пределах 0,0001-0,00025, в поюленной - р 0,0005. Подземные воды комплекса являются транзитными, их формирс вание осуществляется севернее рассматриваемой территории. Непос редственно на исследуемой территории питание подземных еод осущест вляется атмосферными осадками на участках с хорошей проницземость пород, а так же поверхностными водами в паводковые периоды в участках, охватывающих приречную область. Разгрузка происходит реки и е целом в Болго-Ахтубинскую пойму, а так же посредством ис парения, особенно на участках неглубокого залегания еод.

С позиций геохимической защищенности от воздействия объекта АГК сверху четвертичный комплекс представляет собой очень сложну неоднородную природную систему, отдельные части которой реагирую на техногенное воздействие неоднозначно. Поэтому в пределах четЕер тичного водоносного комплекса наиболее отчетливо выделяются подзем ные воды, приуроченные к хвалынским и хазарским отложениям.

Подземные воды хвалынских отложений перекрыты на большей част территории безводными осадками современного возраста, составляющие зону аэрации. Водовмещзющими породами являются пески, реже супеси мощность которых изменяется от десятков сантиметров до 12 метрог резко увеличивается до 20 м и более на участках, где отсутствуе локальный водоупор и подземные воды образуют единую гидродинамичес кую хвалыно-хазарскую безнапорную систему. Глубина залегания уровн этих вод в зависимости от рельефа поверхности изменяется от мене одного метра ( в соровых понижениях и дефляционных котловинах ) д 10 м (под бугристо-грядовыми и барханно-грядовыми поверхностным песками). Значения коэффициента фильтрации водоносных песков изме няются от 3 до 12 м/сут, в среднем составляют 6 м/сут, водопроводи мость от 81 до 280 м2/сут. Питание вод хвалынских отложений, в до полнение к питанию четвертичного водоносного комплекса в целом происходит за счет подпитывания водами нижележащих хазарских отло

жений на локальных участках. Разгрузка вод хвалынских отложений дополнительно к общим условиям разгрузки четвертичного водоносного комплекса наиболее интенсивно осуществляется в соровые понижения. Минерализация и компонентный состав еод, приуроченных к хваяынским отложениям, чрезвычайно неоднороден, что связано с особо интенсивным влиянием на них комплекса факторов, действие которых локально. Этими факторами являются водопроницаемость пород, характеризующаяся большой изменчивостью и мезо-, макроформами рельефа. На участках понижений в рельефе резко усилено испарение. В целом, минерализация еод, приуроченных к хваяынским отложениям, от 0,5 до 65 г/л, в отдельных замкнутых пониженных формах рельефа - до 100 г/л и более.

Геохимическая защищенность подземных еод ХЕалынских отложений по гидрогелогическим показателям оценивается на основе геофильтрационных условий зоны аэрации, мощности зоны аэрации на участках присутствия в ней слабопроницаемых диалогических разностей.

На территории АГКМ породы зоны аэрации песчаные. Пески часто пылеватые, водопроводимые. Только на локальных участках среди песков в зоне аэрации имеют место прослои и незначительные по мощности (до нескольких десятков сантиметров) слои глин и глинистых разностей. В целом, исходя из геофильтрационных сеойств пород, зона аэрации не защищает подземные воды от геохимического елияния объектов АГК. Это подтверждается наличием процессов подтопления, распространенных на участках, приуроченных к конкретным объектам комплекса, за счет утечек. За период эксплуатации месторождения и работы АГК наибольшие подтопленные площади относятся к территории Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ). За последние 14 лет уровень подземных вод здесь повысился на 2-5 м. Функционирование некоторых сопутствующих объектов привело к различным по интенсивности процессам подтопления. Таким образом, подземные воды хвалынских отложений не защищены от влияния Астраханского комплекса с геофильтрационных позиций. Отдельные участки, в пределах которых в зоне аэрации присутствуют маломощные прослои и слои глин, практически не изменяют общей оценки геохимической защищенности подземных вод хвалынских отложений.

Геохимическая оценка защищенности вод хазарского горизонта выполнена по следующим гидрогеологическим элементам: мощность водоупорных глин, отделяющих хазарские глины от хвалынских, фильтрационные свойства глин, соотношение уровней безнапорного хвалынского и

напорного хазарского еодоносных горизонтов.

Механизм поступления техногенных компонентов в подземные во; хазарских отложений определяется соотношением уровней напорного вышележащего безнапорного горизонтов. В центральной и южной част? месторождения вследствие значительной мощности глин и их повышение плотности воды хазарских отложений слабонапорные. На участках пре Еышения напоров вод хазарских отложений (ОгЬг) над напором вод хв; лынских отложений (ОзЫО воды последних питаются перетекающими че рез разделяющее глины Еодали хазарских отложений. Таким образок хазарский горизонт геохимически относительно защищен для любых Е1 дое агрессивных компонентов. Неблагоприятны}® гидродинамически, условиями для геохимической защищенности хазарского горизонта яел? ются такие, когда воды хазарских отложений имеют единый уровень вышележащим горизонтом. В этом случае возникают условия для перек кания вышележащих еод, подвергшихся геохимическому преобразовании в нижележащий горизонт хазарских вод. Еще более неблагоприятны, позиций защищенности подземных еод хазарских отложений от техноге! ного влияния ДГК, условия на участках утечек стоков. Здесь уроне! еод хвалынских отложений, вследствие формирования куполов подтогш ния, превышает отметку напора еод хазарских отложений и загрязне] ные промышленными стоками воды хеэлынских отложений перетекают нижележащий горизонт.

В пятой главе "Геохимические изменения состава подземных в< под влиянием техногенных факторов" рассматривается гидрогеохимиче! кая защищенность подземных вод от техногенного влияния, проявляют, яся физико-химическими процессами, способствующими уменьшению ко; центрации компонентов-загрязнителей в подземных водах, изменен: миграционных форм из токсичных в слаботоксичные, преобразованию а рессивных кислых водных сред в нейтральные. Процессы защищенное развиты как в источниках .загрязнения (загрязненные атмосфера осадки, промстоки, твердые промышленные отходы), так и в предел, зоны аэрациии, а затем водонасыщенной части комплексов. Процес защищенности определяются свойствами компонентов-загрязнителей условиями окружающей среды.

Гидрогеохимическую защищенность всего геолого-гидрогеологиче кого вертикального разреза территории Астраханского газоконденса ного месторождения целесообразно рассматривать по отношению к вод косному комплексу четвертичных отложений, испытывающих техногенн

влияние только от наземных объектов АГК. В качестве основных компо-нентоЕ-загрязнителей с позиций гидрогеохимической защищенности изучены соединения серы и азотные соединения.

Техногенные преобразования подземных вод происходили на фоне химического состава вод, сформировавшегося в естественных ненарушенных условиях до эксплуатации комплекса. В этих условиях химический состав подземных вод сформировался за счет ионно-солевого комплекса водовмещающих пород и за счет увеличения их концентрации при испарении, содержание сульфатов доходило до 3 г/л, а нитритоЕ - до нескольких мг/л. Главными техногенными источниками соединений серы и азотных соединений являются атмосфера и промышленные стоки.В условиях месторождений с высокими концентрациями сероводорода, наиболее существенно привносимыми е атмосферу являются: сера S, ДЕуокись серы SO2, сероводород H2S, а из азотных соединений - ион аммония

В атмосфере серовород и другие соединения серы окисляются, конечным продуктом окисления которых является серная кислота:

H2S + О2 -> SO2 + Н2О

SO2 + Н2О -> H2SO4

Определениями химической формы серы в выпавших осадках в районе АГКМ установлено, что 80% соединений серы в них представлено сульфатами. Химический состав осадков имеет слабокислый характер (рН от 5 до 6,8) в результате обогащения их H0SO4, образующихся при окислении H2S в SOo, SO2 в SO3, соединения SO3 с Н2О. Таким образом, формируются кислые, обладающие кислотной агрессивностью, атмосферные осадки. Частично, особенно в сухое время года, газообразные соединения серы рззносятся ветром, оседают на земной поверхности и проникают в зону аэрации. Скорость их проникновения в зону аэрации зависит от физико-химических и биологических свойств пород. Скорость поглощения дЕуокиси серы поверхностью пустынь составляет 0,1 см/с, кальцинированной почвой - от 0,3 до 0,1 см/с. Скорость поглощения сульфатов составляет, в среднем, 0,2 см/с. Поступающие в зону аэрации в результате газообмена с атмосферой сероводород и двуокись серы взаимодействуют с парами воды, так как из-за испарения елэги е песках зоны аэрации постоянно удерживаются максимальные

парциальные давления водяных паров и окисляются до Н2Б04. Налич> кислоты приводит к сернокислотному выщелачиванию карбонатных мине ралоЕ, цемента, обломков фауны, органики, окислов железа, алюмини! марганца и силикатов по схемам:

2СоС0з + ЗН2504 "> 2Са+ + 33042- + 2НС0з + 2НгО Ге203 + ЗН2504 ~> 2Ре+ + 35042~ + ЗНгО А120З + ЗН2504 -> 2А1+ + 35042" + ЗН20 1?510з + Н2Б04 -> + БЮг" + НгО

Вследствие этого б подземные воды возможно поступление катис нов железа, алюминия и других металлов. Вследствие разложения сер ной кислоты Е зоне аэрации с образованием солей сульфатов, раствор преобразуются из кислых в нейтральные и теряют агрессивные свойс тва. Такта/ образом, зона аэрации является своеобразным буфером может быть отнесена к системе "замедленного реагирования", в кото рой существенные геохимические изменения происходят в течении дли тельного времени и защищают подземные воды от повышенной кислотнос ти.

Для условий АГКМ выполнен оценочный расчет времени, необходи мого для нейтрализации породами кислых осадков. При пористост 30-35%, плотности пород 2,7 г/см3, содержании СаСОз в породах зон аэрации до и мощности песчаников 3 м для полной нейтрализаци СаСОз инфильтрационными осадками (до 200 мм в год с рН до 4-5) пот ребуется около 50 тысяч лет (К.Е.Питьева, 1989 г., 1996 г.).

В условиях глинизированного разреза развиваются зоны с восста новительными условиями, где процессы окисления сероводорода буду отсутствовать. Но в этих условиях сероводород расходуется на обра зование вторичных сульфидных минералов, что обеспечивается довольн высоким содержанием в породах четвертичного комплекса тяжелых ме таллов. Таким образом, защищенность подземных вод от сероводородно го загрязнения атмосферой и от кислотности осуществляется посредс твом физико-химических процессов.

В подземных водах четвертичного комплекса из соединений сер распространен преимущественно сульфат-ион. Материалы за 1988-199

• •'."'•¿.Сп-.?.^,'.--.?.

г.г. парной корреляции сульфат-иона свидетельствуют о еысокой его коррелированности с минерализацией (1?=0,8075), с ионом натрия (13=0,7911), магния (Р=0,7232) и хлора (К=0,6811), и в меньшей степени - с кальцием (1?=0,4353), а также о том, что характер распределения сульфат-иона в подземных водах в период эксплуатации АГК значительно отличается от характера распределения его при естественных условия. Последнее выражено снижением концентрации сульфатов в подземных водах на участках расположения объектов АГК. Такое снижение концентрации сульфатов в подземных водах является результатом смешения минерализованных (содержание сульфатов 3 г/л и более) подземных еод естественного фона с пресными или слабоминерализованными стоками, содержащими сульфат-ион до нескольких десятков мг/л. Снижение концентрации сульфатов в подземных водах за счет елияния утечек подтверждается данными изотопии серы сульфатов. Изотопный состав серы сульфатов подземных вод естественного происхождения - около 4-5%0, в техногенных средах - 13-18%0- Данные многолетнего режима указывают на утяжеление (возрастание) значения изотопии серы подземных вод и снижение концентрации сульфатов. Возрастание значе-нж изотопов серы сульфатов в подземных водах и одновременное снижение концентрации сульфатов указывают на техногенный характер распространения сульфатов в подземных водах территории Астраханского комплекса.

Азотные соединения в подземные воды поступают е незначительных количествах из атмосферы (от десятых до первых единиц мг/л) и более существенно (первые единицы мг/л) со стоками, в которых они содержатся преимущественно е форме аммиака. Б стоках и атмосфере происходит окисление МН^ через до N03". В атмосфере и в пределах зоны аэрации вблизи газоперерабатывающего завода преобладают соединения ИН4 и N02. Физико-химические пребразоЕания Ш4 и N02 представлены окислением до ИОз":

Ш4+ + 202 -> N02"

2Ш2~ + 02 -> 2М0з"

По степени токсичности формы азота в подземных водах располагаются в следующий ряд:

N02" > NH4.+ > H03" > N2

Предельно допустимые концентрации ЫН4+ до 0,5 иг/л, U0z~ 0,2 мг/л, МО3" до 45 мг/л. Исходя из ЦЦК, в результате окислен азотных соединении в нитратную форму значительно уменьшается отр цательная роль азотных соединений на естественные среды. Таким о разом, защищенность подземных вод от техногенного воздействия А по азотным соединениям заключается е изменении их миграционв форм. При инфильтрации стоков и загрязненных атмосферных осади через зону азрации суммарное содержание азотных соединений остает постоянным, но изменяется соотношение миграционных форм, Н0э~ ст ноеится преобладающей формой. В подземных водах преобразование NH в Ш3" продолжается. На характер и интенсивность преобразован влияют литолсгическое строение пород водоносного комплекса и пр цессы смешения подземных еод со стоками. Исходя из позиций защище ности подземных вод, территория АГКМ подразделена на районы, рззл чающиеся литологическим строением четвертичных отложений. Наймем геохимически защищенными являются зоны многослойного литологическ го строения (1 балл), наиболее - однослойного (4 балла), что объя няется замедленным окислением NH4+ в Шз~ в первом случае и больп его интенсивностью - во Етором.

В пределах размещения объектов АГК в подземных во; N03_>NH4+. Концентрации Ш4+ в подземных водах за весь период раС ты комбината до 0,1-0,4 »/г/л, т.е. меньше, чем в атмосферных осг как и сточных водах. Концентрации Ы0з~ наибольшие в подземных i дах, а в атмосферных осадках и техногенных водах они меньше. < свидетельствует о процессах окисления NH4+ в Юз~. На объектах 1 вследствие смешения подземных вод естественного формирования, с держащих Шз~ до 5 мг/л и более, со стоками и атмосферными осад* ми, содержащими Шз~ менее 0,5 мг/л, концентрация Шз~ в подземз водах, приуроченных к техногенным объектам, значительно снижена.

Таким образом, геохимическое преобразование состава подземз еод под влиянием техногенных факторов связано с многочисленным разнообразными по геохимическим свойствам и фазовому состоянию kt понентами-преобразователями, приуроченными к различным техногею источникам-объектам. Основные компоненты техногенного характера соединения серы и азотные соединения. Они обладают различной с пенью геохимического воздействия на состав подземных вод. Cxi формирования и распределения геохимических компонентов-преобразо;

телей гидросферы такова: промобъект - атмосфера - земная поверхность - зона аэрации - подземные воды. Различные компоненты имеют свои пути физико-химического и количественного воздействия в этих зонах. Так, сероводород из эксплуатационных скважин преобразуется при Еыбросах и е процессе технологического цикла в серный ангидрид, в дальнейшем окисляющийся в атмосферных осадках до сульфат-иона. При инфильтрации через зону аэрации атмосферных осздкое и стоков количество сульфат-иона не изменяется (Питьева К.Е. и др., 1995 г). В подземных Еодах вследствие процессов смешения происходит уменьшение концентрации сульфат-иона. Защищенность подземных еод от воздействия азотных соединен™ проявляется процессами окисления в зоне аэрации токсичных форм (МН4) е слабо токсичные (МОз). В подземных годах происходят процессы смешения азотных соединений с природными вода,® и уменьшения концетраций этих соединений. Салозащищенность гидросферы от техногенного воздействия способствует снижен™ степени геохимического преобразования подземных еод и снижению в них концентраций геохимических компонентов-загрязнителей. Это указывает на усиление ениз по гидрогеологическому разрезу степени геохимической защищенности пластовых вод.

В шестой главе "Районирование территории АГК по комплексу показателей геохимической защищенности геологической среды от техногенного воздействия" дается суммарная оценка геохимической защищенности недр и выделяются зоны с различной степенью геохимической защищенности по системе геохимических баллов. Наименее благоприятными являются условия защищенности, соответствующие категории 1, наиболее благоприятны}® - категории VI.

В итоге дается оценка масштабов геохимического преобразования подземных еод. Эта оценка включает определение размеров области преобразования (площади и мощности), интенсивности преобразования подземных вод, скорости продвижения границы преобразованных вод по пласту.

В случае дискретной области преобразования, сформированной несколькими источниками преобразования, когда между отдельными областями геохимического преобразования, обусловленными отдельными источниками, имеются незатронутые участки подземных вод, но эти участки меньше шш близки по размерам к измененным зонам, площадью геохимического преобразования подземных вод следует считать всю область, охватывающую как участки измененных вод, так и расположенные

между ними участки геохимически нетронутых подземных еод.-

На основе обобщения фактических данных о преобразовании п земных вод Еыделены градации площади геохимического преобразован приведенные в таблице:

Площади геохимического преобразования подземных еод Астраханского ГКМ

Номер

градации 1 II III IV V VI VII VIII IX Площадь,

км2 <1 1-3 3-5 5-10 10-20 20-30 30-50 50-100 >100

Таким образом, при общей площади Астраханского ГКМ поряд! 2 000 км2, геохимическим преобразованиям Еследствии техногенно] воздействия подвержена территория площадью до 310 км2.

Заключение

В результате проведенных работ выполнена оценка геохимичеа защищенности подземной среды территории АГКМ от загрязнения на с нове исследования особенностей геолого-гидрогеологического строе! территории и процессов техногенного воздействия объектов Астрахш кого газоперерабатывающего комплекса. На основе естественно-исто{ ческого анализа и теоретического обобщения фактического матери: установлена зависимость направленности и интенсивности геохимиче кого преобразования геологической среды от физико-химических щ цессов, происходящих в ней и окружающей среде.

При этом получены следующие результаты:

1. Проведено теоретическое и экспериментальное обоснован прогноза геохимического преобразования геологической среды.

2. Выявлены и оценены объекты геохимического воздействия,ра работала их геохимическая классификация и исследован характер вс действия объектов-источников АГК на геологическую среду.

3. Исследованы геологические, гидрогеологические, геохимиче кие параметры района до и после эксплуатации АГК.

4. Установлены масштабы геохимических изменений состава по земных вод под влиянием техногенных факторов.

5. Уточнены гидрогеохимические и гидрогеодинамические услови обеспечивающие существующее геохимическое равновесие подземной ср ды.

6. Разработаны гидрогеологические, геохимические и геологические критерии оценки естественной защищенности недр на основе комплексного анализа материалов по геологии, гидрогеологии, геохимии, минералогии, петрографии, гидрохимик, флюидодинамики.

7. Осуществлено районирование территории по разработанным критериям защищенности исследуемых отложений.

Защищаемые положения диссертации заключаются в следующем:

1. Роль глубинных (газоконденсатная залежь, полигон подземного захоронения промстоков) и наземных, (объекты АГК) источников техногенного воздействия на геологическую среду, при приорит-ной роли наземных источников, и способность геологической среды противостоять этому воздействию.

2. Закономерности геохимических изменений системы "техногенное воздействие - порода - подземная вода" в условиях АГКМ с высоки/ содержанием сероводорода.

3. Комплексная оценка геохимической защищенности геологической среды от техногенного воздействия, заключающаяся в генетическом единстве применения геологических, гидрогеологических и геохимических показателей.

4. Районирование территории АГКМ по степени геохимической защищенности подземной среды и обоснование рационального распределения производственной нагрузки.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Контроль состояния подземных вод на территории подземного хранилища промстоков Астраханского ГШ. - В кн.: Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки. - Материалы конф. - М.: ВНИИПРОМРАЗ, 1991. - с.46 (совместно с Ильиным А.Ф., Кутлусуриной Г.В.).

2. Геолого-гидрогеологическое обеспечение исследований для подземного захоронения промстоков на Астраханском ГКМ. - В кн.: Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки. - Материалы конф. - М.: ВНИИП-РОМГАЗ, 1991. - с.47 (совместно с Ильиным А.Ф., Кутлусуриной Г.В.).

3. Состояние геологической среды в условиях техногенной нагрузки объектов Астраханского газового комплекса. - В кн.: Экологические проблемы при разработке высокосернистых месторождений природного газа, - М.: БНИИГАЗ, 1992. - с.88-90 (совместно с Кут-

лусуринсй г.В.).

4. Условия защищенности подземных еод от загрязнения объект АГК. - Е кн.: Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты воения гззоеых месторождений России. Материалы 2ой междунар ной конф. - Астрахань: Газпром, 1992. - с.27 (совместно с К лусуриной Г.В.)

5. Результаты экспериментальных исследований прочностных харак ристик П9СКОВ в основании сооружений АГПЗ. - В кн.: Пробл охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых местор дений России. Материалы 2-ой международной конф. - Астрахань Газпром, 1993. - с.37 (совместно с Кутлусуриной Г.В.).

6. Загрязнение подземной гидросферы промышленными объектами. -кн.: Экологические аспекты разработки Астраханского газоконд! сатного месторождения.- Астрахань: АНИПИгаз, 1996. - с.81-(совместно с Кутлусуриной Г.В.).

7. Гидрогеозкологические проблемы производственной деятельно* нефтегазодобывающих и перерабатывающих комплексов. - В К1 Экологические аспекты разработки Астраханского газоконденсап го месторождения.- Астрахань: АНИПИгаз, 1996. - с.84-86 (с( местно с Кутлусуриной Г.В.).

'8. Техногенная нагрузка нефтегазоперерайатывающих объектов на ш земную природную среду. - В кн.: Экологические аспекты раз] ботки Астраханского газоконденсатного месторождения.- Аст! хань: АНИПИгаз, 1996. - с.87-89 (совместно с Кутлусурш Г.В.).

9. Особенности внедрения системы экологического мониторинга подземными водами при разработке и эксплуатации нефтегази месторождений с высоким содержанием сероводорода. - В ю Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связ! разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с вые ким содержанием сероводорода.- Саратов: Изд-во Саратовскс университета, 1996. - с.27-28 (совместно с Серебряковым О.И.;