Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрогеологические исследования природно-технических систем (на примере района Гайского медно-колчеданного месторождения)

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеологические исследования природно-технических систем (на примере района Гайского медно-колчеданного месторождения)"

На правах рукописи

005549281

Погосяи Юлия Михайловна

V'

>■ /

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(на примере района Гайского медно-колчеданного месторождения)

Специальность 25.00.07 Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Пермь - 2014

2 МАП 2014

005549281

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» и ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» Гаев Аркадий Яковлевич (г. Оренбург)

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» Хаустов Александр Петрович (г. Москва)

Заместитель генерального директора ООО «ГЕОДИН», Председатель Российского союза гидрогеологов, кандидат геолого-

минералогических наук, Богомолов Юрий Герасимович (г. Москва)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится "26 " июня 2014 г. в 11—часов на заседании диссертационного совета Д212.189.01 при ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева 15, зал заседаний ученого совета. Факс: (3422) 37-16-11

*

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета

Автореферат разослан "28" апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.189.01 доктор технических наук, профессор , " / '' В.А. Гершанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В горнодобывающих районах Оренбуржья распространены опасные для гидросферы процессы, обусловленные большой техногенной нагрузкой, в частности, от разработки крупнейшего в мире Гайского медно-колчеданного месторождения. В Гайском горнодобывающем районе, в городах Гай, Орск и Новотроицк сосредоточена почти половина населения области. Уникальное по запасам и составу руд Гайское месторождение разрабатывается с 1959 г. Глубина двух карьеров достигла 300 м, а шахты более 600 м. За этот период накоплены сотни миллионов тонн твёрдых отходов производства, площадь депрес-сионной воронки достигла 30 км2, в водоёмы и окружающую среду (ОС), до внедрения оборотного водоснабжения, сбрасывались миллионы кубометров недостаточно очищенных сточных вод. Поэтому, и в настоящее время, источники водоснабжения населения продолжают загрязняться. Сформировалась сложная при-родно-техническая система, под которой в гидрогеологии понимается зона активного водообмена, испытывающая техногенные преобразования под воздействием создаваемой инженерной инфраструктуры. В связи с этим, гидрогеологические исследования района месторождения и разработка мероприятий по защите вод зоны активного водообмена от загрязнения весьма актуальны.

Цель работы: охарактеризовать гидрогеологические условия природно-технических систем района Гайского медно-колчедаиного месторождения для обоснования мероприятий по снижению негативного воздействия техногенной нагрузки на водные объекты.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- оценка ресурсов и состояния подземных вод горнорудного района;

- установление тенденции преобразований подземных вод;

- разработка критериев по снижению техногенной нагрузки на подземные воды для стабилизации ситуации.

Объект исследований: состояние подземных вод исследуемого района, подверженных техногенному воздействию горно-рудных объектов.

Предмет исследований: природно-технические системы района и пути минимизации их техногенного воздействия на подземные воды.

Фактический материал и методы исследований. Использованы полевые, натурные фактические и фондовые картографические материалы, данные поисковых и геологоразведочных работ по месторождению, а так же материалы по эксплуатации подземных вод. Использован отечественный и зарубежный опыт по минимизации негативного воздействия на подземные воды природно-технических систем, включая аналитический метод, системный анализ техногенных воздействий на водную среду, лабораторные, расчётно-графические и экспериментальные исследования. Использованы гидрогеологические и географические материалы, данные по техногенным объектам и имеющиеся аналитические материалы по загрязнению подземных вод и ОС. Использованы результаты других исследователей по взаимодействию в системе «вода - порода» (известняки, песчаники на карбонатном и карбонатно-глинистом цементе). Собраны и систематизированы результаты физико-химических анализов проб природных и сточных вод (630 проб),

почв и грунтов (430 образцов). Использованы анализы водных вытяжек из почв и грунтов (370). Материалы собраны, как из фондовых источников, так и на 25% лично автором.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на основе типизации зоны активного водообмена по защищенности подземных вод от загрязнения, позволяющая осуществить моделирование природно-технической системы.

2. Гидрогеологические модели, позволившие раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности.

3. Критерии по снижению техногенной нагрузки, позволяющие минимизировать техногенное воздействие на подземные воды путем применения барьерных технологий.

Научная новизна:

- выделены четыре типа вертикальной гидрогеологической зональности исследуемого района, что позволило раскрыть условия загрязнения подземных вод в плане и разрезе;

- обоснована приуроченность каждого типа вертикальной гидрогеологической зональности к определенному типу районов, что использовано при оценке защищенности подземных вод;

- разработаны критерии по защите подземных вод и водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения на основе применения барьерных технологий и модульных принципов оценки состояния вод.

Практическая значимость результатов:

- установлены масштабы загрязнения и осолонения подземных вод в плане и разрезе, позволяющие прогнозировать возможность дальнейшего ухудшения ситуации в случае отсутствия необходимых мероприятий;

- предложены рекомендации по минимизации техногенной нагрузки на подземные воды на основе применения барьерных технологий для защиты водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения.

Апробация результатов работы. Положения работы докладывались автором: на Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов»: Тюменский гос. ун-т, сентябрь 2010 г., на Всероссийской научной конференции: «Современная гидрогеология нефти и газа», посвященной 85-летию проф. A.A. Карцева. Москва, октябрь 2010 г., на Международных конференциях: «Антропогенная трансформация природной среды». Пермь, ПГУ, ноябрь 2010 г., «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации». Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, декабрь 2010 г., «Эколого-географические проблемы нефтегазовых регионов: теория, методы, практика». Нижневартовск, НГГУ, декабрь 2010 г., «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана». Уфа, ноябрь 2010 г. «Арчиковские чтения: науки о Земле и стратегия устойчивого развития». Чебоксары. Чувашский ун-т, ноябрь 2010 г., «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии». Московская обл., пос. Зеленый, ВСЕГИЕГЕО, апрель 2011 г., «Современ-

ные проблемы водохранилищ и их водосборов». Перм. гос. ун-т. Пермь, май 2011 г., на Международном симпозиуме «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (26-29.07.11; Хабаровск. Россия. ДВГУПС, на научной конференции «Комплексные проблемы гидрогеологии»,- СПб.: С-Пб. ун-т, июнь 2011; на научных и научно-практических конференциях: «Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии», ТПУ: Томск, сентябрь 2011 г., «Географическое пространство: сбалансированное развитие природы и общества». Челяб. гос. пед. ун-т. Челябинск, октябрь 2011 г., «Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» Юж.-Рос. Гос. Техн. Ун-т (НПИ). Новочеркасск, март 2012 г., «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». Уфа, 22-25.05.12.

По материалам диссертации опубликовано 30 работ, включая 3 статьи в рецензированных журналах (доля автора 50 %). Результаты исследований внедрены в учебный процесс при изучении курсов «Гидрогеология», «Гидрогеоэкология» и «Природопользование Оренбуржья».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем текста - 145 страниц, количество рисунков - 32, таблиц - 7, библиографический список содержит 223 наименования.

Автор выражает признательность научному руководителю профессору АЛ. Гаеву за поддержку и ценные советы. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедр геологии Оренбургского государственного университета и динамической геологии и гидрогеологии Пермского государственного национального исследовательского университета за многочисленные консультации и важные замечания. Автор осознает, что фактической основой исследований послужили не только личные материалы, но и результаты исследований научных лабораторий и ученых, полученные в течение многолетних работ на территории Гайского района Оренбургской области, и выражает им искреннюю благодарность. А так же благодарит соавторов совместных статей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первое защищаемое положение: «Методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на воды зоны активного водообмена на основе типизации территории по защищенности подземных вод от загрязнения, позволяющая осуществить моделирование природно-технической системы». Положение обосновано в первых трех главах работы, что отражено в ряде публикаций [1-5, 8, 10, 13, 18, 26, 28-30]. В главе 1 «Краткий обзор предшествующих исследований» дана история исследований горнодобывающих районов Оренбуржья, включая Гайский район (рисунок 1). Подземные воды региона изучались с XVIII в. академическими экспедициями П.С. Палласа, Г. Абиха, Н.П. Рычкова, В.Ф. Зуева, И.И. Лепехина, Н.П. Соколова, отметивших влияние физико-географических условий на грунтовые воды. В.В. Докучаевым выявлена связь формирования подземных вод с ландшафтно-географической зональностью. П.В. Отоцкий выделил четыре широтные зоны грунтовых вод по глубине залегания уровня и минерализации. Рабо-

ты A.J1. Потылицина, К.В. Харичкова, П.Л. Гинзбург-Карагичевой, Э. Бастона углубили представления о водных растворах. Процессы формирования подземных вод изучали B.C. Ильин, Ф.П. Саваренский, O.K. Ланге, Е.В. Пиннекер, Г.А. Максимович, Н.К. Игнатович, И.К. Зайцев, Н.И. Толстихин, A.M. Овчинников, В.А. Кирюхин, В.А. Швец, С.Л. Шварцев, А.П. Хаустов и др.

Рисунок 1 Обзорная карта расположения Гайского горно-рудного района.

I - Гайский горно-рудный район. Медно-колчеданные месторождения: 1 -Гайское; 2 - Медногорское; 3 - Летнее. II — город Оренбург - областной центр с Оренбургским нефтегазовым комплексом (ОНГК)

В Оренбуржье исследования велись для водоснабжения населения, осушения на горнодобывающих предприятиях и при изысканиях под строительство. Поверхностные воды играли ведущую роль при водоснабжении. Бурение скважин на воду начато при железнодорожном строительстве в конце XIX в. К XXI в. в области обустраивалось до тысячи скважин в год. Выполнены гидрогеологические съемки, тысячи анализов вод и генеральная схема комплексного использования водных ресурсов Урала институтом «Гидропроект». Область, в основном, обеспечена качественными подземными водами. Выполнялись наблюдения по оценке водопритоков в выработки для предотвращения их затопления. Начали решаться комплексные задачи водоснабжения, осушения и борьбы с загрязнением. С 1950-х гг. велись наблюдения и на водозаборах. Описаны водоносные горизонты, составлен кадастр скважин на воду. Н.Д. Буданов (1964, 1970) и авторы «Гидрогеологии СССР», том 43-й обобщили эти материалы. Минеральные воды описаны А.И. Дзенс-Литовским, Н.И. Толстихиным, A.C. Хоментовским, Г.В. Вахрушевым, Эпштейном, Е.А Пислегиной-Епифановой, О.М. Севастьяновым, H.A. и A.A. Донецковыми и др. Гидрогеохимические методы с 1956 г. внедряются в состав поисково-разведочных работ A.M. и Л.Е. Черняевыми, В.Б. Черняховым и др. А.Я. Гаев, B.C. Самарина, Ю.М. Нестеренко, А.П. Бутолин и др. изучили влияние сточных вод ряда предприятий на подземные воды, выявили взаимосвязи в формировании состава поверхностных и подземных вод. Но процессы истощения и загрязнения вод развиваются и нуждаются в изучении и предотвращении. Важно отразить влияние всех основных литолого-стратиграфических комплексов пород на качество подземных вод аллювиального водоносного горизонта, а так - же влияние на него Ириклинского водохранилища: на

макро химический состав подземных вод, содержание органических веществ, железа и других тяжелых металлов. Именно от этого должен зависеть порядок организации санитарно-защитных зон водозаборов.

Во второй главе «Условия формирования подземных вод исследуемой территории» даны физико-географические условия и геологическое строение региона. Равнинное Предуралье сменяется к востоку низкогорным Уралом. Полуаридный климат определяет дефицит водных ресурсов. Территория относится к бассейну р. Урал. Лесистость составляет < 3% площади.

Горно-складчатые районы сложены метаморфическими, магматическими и вулканогенно-осадочными породами докембрия и палеозоя. Гайское месторождение приурочено к Уральской гидрогеологической складчатой области. Неотектоника определяет формирование трещиноватости и водоносности пород. Воды сосредоточены в аллювии, но распространены так, же трещинные и трещинно-карстовые воды. Формирование природно-технической системы сопровождалось процессами загрязнения и метаморфизации химического состава вод.

Глава 3 «Методика исследований». Методика - это совокупность способов достижения поставленной в работе цели и решения задач. Она включает следующие виды гидрогеологических работ: 1) полевые, натурные и лабораторные исследования; 2) сбор фактического материала и его первичную обработку с составлением таблиц, каталогов и расчетом формул, построение графиков, разрезов и профилей с уточнением гидрогеологической карты; 3) разработку и построение схемы типизации природно-технической системы по защищенности от загрязнения.

Собраны данные поисковых и геологоразведочных работ по месторождению, данные наблюдений за расходом, уровнем и химическим составом воды в процессе водопонижения на руднике и на водозаборах, а так же материалы по грунтам, их пористости, проницаемости и информация о водном балансе. Методами плазменного, полуколичественного спектрального и атомно-абсорбционного анализов определено до 70 элементов (Н§, Си, РЬ, Хп, Со, N1, Сг, Мп, Сё и др.). Определены химические типы и подтипы вод по классификации Н.С. Курнакова - М.Г. Валяшко, и вычислены генетические коэффициенты

БО, Ыа С1

г-— г- Г--М\

С/ ' С/ ' Вг и др' (1)

Обработка фактического материала выполнена с использованием формулы Курлова, диаграммы Дурова и гидрогеохимических разрезов по А.Я. Гаеву (1989). Выполнена типизация территории по защищенности подземных вод зоны активного водообмена от загрязнения с использованием данных по модулю предельно допустимого загрязнения (Мпдв). Он определяется в т/км2 в год при помощи модуля предельно допустимой концентрации (Мпдк), представляющего собой произведение модуля водного стока на концентрацию загрязняющего вещества, и рассчитывается по формуле

МПдв = Мпдк - Мпхс, (2)

где МПхс ~ модуль химического стока. Мпдв, определенный до начала освоения территории, отражает запас ее экологической защищенности. Схемы позволяют обеспечить безопасность подземных вод при размещении проектируемых объектов. Защищенность территории от загрязнения снижается при высокой техногенной нагрузке и росте концентраций сернокислых соединений тяжелых металлов. Они поддаются локализации на геохимических барьерах.

Предложенная методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на природно-техническую систему позволяет осуществить гидрогеологическое моделирование исследуемой территории.

Второе защищаемое положение: «Гидрогеологические модели, позволившие раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности». [1,2, 7, 11, 13, 16, 17, 19-21, 23, 24, 27, 29, 30]. Это положение обосновано в главе 4 «Результаты гидрогеологических исследований», где приводятся гидрогеологические модели. Под моделированием в соответствии с представлениями И.К. Гавич (1988) автор понимает отображение каким-либо способом реально существующей в действительности природно-технической системы для изучения объективных закономерностей ее формирования. В работе модели (геомодели) представлены гидрогеологической картой, профилями, разрезами (рисунок 2, 3) и схемой типизации по защищенности вод зоны активного водообмена. В работе построены гидрогеологические профили и четыре гидрогеохимических разреза по району исследования. На карте показаны трещинные воды палеозойских пород, разгружающихся в аллювиальный водоносный горизонт и в массивы карстую-щихся пород. В депрессиях сохранились мезозойские отложения и коры выветривания с солеными водами.

Подтверждено преобладание в породах палеозоя пресных регионально-трещинных вод зоны выветривания (Т6) сульфатно-натриевого подтипа [13, 16]. Они развиты до глубины 60 м и играют роль области питания аллювиальных вод и вод классов Т7 и Т8 (А.Я. Гаев, Т.Н. Якшина, 1996; В.А. Кирюхин, 2005). Пресные воды в тектонических трещинах на неотектонических поднятиях прослежены до 800 м с дебитом до 30 л/с. На схеме типизации территории по защищенности подземных вод от загрязнения выделено 4 типа районов, от хорошо защищенных (МПД8 >70 т/км2 в год) до не защищенных в аллювиально-озерных осадках (< 5) (рисунок 4). Районы с мезозойскими и кайнозойскими породами, слабо проницаемыми и пониженной водоносности хорошо защищены от загрязнения и рекомендуются для размещения любых сооружений. Их воды имеют минерализацию до 20 г/л и хлоридно-сульфатно-натриевый состав, но они слабо влияют на водоемы и горизонты пресных вод. Массивы карбонатных пород невелики. Воды хорошего качества из русловой фации аллювия с мощностью до 10^20 м и коэффициентами фильтрации до 200 м/сут обеспечивают дебит групповых водозаборов до 3 тыс. м7сут. (рисунок 5). Они не защищены от загрязнения. Пониженное положение в рельефе карстующихся пород способствовало аккумуляции в них тре-щинно-карстовых вод. Из-за реликтов морского солевого комплекса в карстовых

Горизонтальный масштаб:

полостях от трансгрессий эти воды имеют повышенную жесткость и минерализацию, но в пределах ПДК.

Гидрогеологический профиль по линии Л-Ж-З-К

Водоносные горизонты и комплексы:

И

ш ш ш

ш

ш

Ж'

\ . ... средне'а-нххнею тарбома. Известят

| ^ | Трещинно-карстовые воды карбонатных отложений нижнего кзрбона. Известняки.

I 0,-С, I Трещинные воды терригенных отложений нижнего карбоча-верхнего девона I _I Первспаивзше песчзнн'ов. апеврашгоз. реяв конишерапх и фзвелитов

а. Водоносный комплекс отложений верхнего мела. Мертели, мел. реже лески и песчаники конглоиерзтовидные. б. Подземные воды слорадического распространения в отложениях верхнего мела. Прослои и линзы мела, песчаников и мергелей трещиноватых среди глин

а. Водоносный комплекс отложений нижнего мела. Лески. песчаники. алевролиты и иергапч,

б. Подземные воды слорадического распространения отложений нижнего мела. Прослои и линзы леоов песчаников и алевролитов среди тин

а. Водоносный комплекс отложений средней-нижней юры. Пески, алевролиты, пески с галькой, песчаники и конгломераты, б. Подземные воды спорадического распространения в < средней - нижней юры Прослои и линзы песков лесчзтиое среди глин

I Трещинные воды эффузивных и вулканогенно-осадочных образований нижнего Н^^^И карбона-девона Трещиноватые лорфириты, альбитофиры и их туфы, колчеданные руды, туфы.туфогесчаники, лавобрекчии. кремнистые сланцы, туффиты яшмы

Трещинные воды эффузивных и аупанженннхадочных обрахааннн стурэяерхчею ордовика Порфириту, туфобрекчии, альбитофиры. кератофиры и колчеданные руды туфы основного и смешанного состава, туфолесчаники. туффиты и сланцы

Ш Трещинные воды терригенных отложений нижнего ордовика Песчаники, фавилиты. конгломераты с прослоями алевролитов

рГСр"1! Трещинные зоды интрузивных образований кислого и среднего состава Гранодиориты. В^ЯИт диориты диоритовые порфиры

Трещинные вода, интрузивных образован»* основною к ударзссновного состава Серпентиниты, дуниты. пироксениты и габбро

Водопункты:

ив-|у. Скважина. Вверху - номер по каталогу и

° индекс геологического возраста водоемещающих пород

▲ Водопункты. вскрывшие минеральные воды

Схвахичэ безводная

Вверху - индекс геологического возраста пород на забое, цифра слева - номер каталогу справа - глубина скважины, м

Гайский водозабор хозяйственно-питьевого

Прочие обозначения:

Уровень фунтовых вод (УГВ) С] Оистные сооружения промышленных стсжых вод Гайаого ГОКа О Поля фильтрации хозяйственно-бытовых сточных вод города С^Э Аоериановский карьер

Рисунок 2 Гидрогеологическая карта района Гайского медно-колчеданного месторождения и сопредельных территорий (по тому 43 Гидрогеологии СССР, 1972, с уточнениями автора)

Рисунок 3 Гидрогеологический профиль аллювиального водоносного горизонта в долине реки Урал по линии Б-Г

I - почвенно-растительный слои

- четвертичные делювиальные отложения

- аллювиальный водоносный горизонт в четвертичных песчано-грэвийно-галечных отложениях русловой фации

- четвертичные илистые суглинки аппювиально-депювиапылого происхождения

Условные обозначения:

Ш-эффузивные и вулканогенно-осадочные образования нижнего карбона-девона. Переслаивание песчаников, аллевролитов, реже конгломератов и гравилитов ИНН - кора выветривания вулканогенно-осадочных пород

| - вулканогенно-осадочные породы верхнедевонского возраста

- уровень грунтовых вод (УГВ)

- скважина, её номер и глубина в м на забое

- I - тип районов, с зонами сосредоточения исключительно уязвимых к загрязнению вод аллювиального водоносного горизонта Мпдв< 5 т/км2 в год;

- II - тип районов с не защищенными или условно защищенными от загрязнения вод зоны выветривания вулканогенно-осадочных, палеозойских пород с Мпдв 5^20 т/км2 в год;

- III - тип районов с относительно защищенными от загрязнения зонами сосредоточения трещин-но-карстовых вод с наличием геохимического барьера, Мпдв 50-^70 т/км2 в год;

- IV - тип районов хорошо защищенный от загрязнения без существенных ресурсов подземных вод, с Мпдв>70 т/км2 в год Рисунок 4 Схема типизации подземных вод Гайского горнорудного района по защищенности от загрязнения

ю

6190 ■ -

во.

Рисунок 5 Сводный гидрохимический разрез вод аллювиального водоносного

горизонта А - зона аэрации;

Б - зона сезонных и многолетних колебаний уровня грунтовых вод; В - зона постоянного горизонтального стока

400 500 мг'л

Таким образом, созданы гидрогеологические модели, позволившие впервые раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности, установлены преобразования подземных вод под влиянием природных и техногенных факторов, уточнена гидрогеологическая ситуация на основе гидрогеологической карты, профилей и схемы типизации по защищенности подземных вод от загрязнения, на которой каждый тип районов характеризуется своей вертикальной зональностью.

Третье защищаемое положение: «Критерии по снижению техногенной нагрузки, позволяющие минимизировать ее воздействие на подземные воды путем применения схем типизации по их защищенности и барьерных технологий». Положение обосновано в главе 5 «Вопросы защиты и рационального использования водных ресурсов» [1-6, 9, 10, 12, 14, 15, 18, 22, 25, 29]. Обеспеченность запасами вод питьевого качества в бассейне р. Урал составляет 0,91 м3/сут на 1 чел. На хозяйственно-питьевые нужды тратится 124,9 млн. м /год. За счет не качественных вод водохранилищ осуществляется хозяйственно-питьевое водоснабжение пос. Энергетик и др.

Для защиты вод питьевого качества необходимо реализовать критерии их защищенности. Под критериями защищенности природно-технической системы автор понимает признаки, на основании которых сохраняется качество вод зоны активного водообмена. К ним относятся: 1) оценка источников загрязнения; 2) степень защищенности природно-технической системы; 3) применение барьерных технологий.

При классификации источников загрязнения следует учитывать консервативность загрязняющих веществ. От этого зависят методы их локализации. Основными источниками загрязнения подземных вод являются продукты окисления сульфидных минералов или медно-колчеданных руд. На горнодобывающих предприятиях, на участках депрессионных воронок при контакте вод с сульфидами формируются сернокислые рудничные воды с высокой минерализацией и концентрацией сульфатов тяжелых металлов. Серная кислота с участием тионовых бактерий переводит закисное железо в окисное, ускоряя окисление пирита:

РеБз + 70 + Н20 -> Ре804 + Н28 04> (3)

2Р804+Н2804^Ре2(804)3 + Н20, (4)

Ре82 + Ре2(804)з—>ЗРе804 + 28. (5)

Сера окисляется химическим, и микробиологическим способом

п

S + 2H20 + I( 1 /2)0, = H2S04 + HzO (6)

с выделением 120 килокалорий. A.B. Щербаков объясняет рассеяние сульфат-ионов не только сульфат-редукцией, но и образованием сероводорода в водах месторождения при окислении сульфидов:

FeS2 + С02 + Н20 = FeC03 + H2S, (7)

FeS2 + Н20(пар) = FeO + H2S + S, (8)

FeS2 + H2S04 = FeS04 +H2S. (9)

Конечным продуктом окисления пирита являются окислы и гидроокислы железа - лимонит, ярозит и другие минералы:

FeS2 + n02 + mH20 FeS04 + mH20 -> Fe2(S04)3 + пН20 Fe203 пН20 + H2S04 (10)

При взаимодействии с химически активными породами, рудничные воды обогащаются щелочными металлами, приобретая нейтральную и щелочную реакцию среды и карбонатный тип (С.С. Смирнов, 1955; В.В. Щербина, 1980; А.Я. Гаев, 1989). Токсичные металлы переводятся в трудно растворимые карбонаты. Эти реакции используются в технологии на Гайском ГОКе для очистки сточных вод, и их надо внедрять для защиты подземных вод от загрязнения.

Степень защищенности природно-технической системы определяется схемой типизации территории по защищенности от загрязнения. Схемы позволяют сравнить разные варианты размещения проектируемых объектов, осуществить прогноз и разработать мероприятия по повышению безопасности подземных вод территории. Защищенность подземных вод снижается при высокой техногенной нагрузке и росте роли консервативных компонентов среди загрязняющих веществ.

Для защиты водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения рекомендуется применять барьерные технологии. Роль барьеров могут выполнять активные в физико-химическом отношении карбонатные и терригенно-карбонатные породы, нейтрализующие и сорбирующие загрязняющие вещества (Гаев и др., 2007; И.Н. Алферов, 2005; С.М. Блинов, 2000; Е.В. Кузнецова, 2004; Н.Г. Максимович и др., 2010).

Для минимизации техногенного воздействия на подземные воды необходимо реализовать указанные критерии, опираясь на систему мониторинга (рисунок 6) и непрерывно формируя базы данных. Мониторинг - это непрерывный

[Гаяев А.Я., Бабушкин ВД. и др. с добавлением автора]

процесс наблюдения и регистрации параметров объекта, в сравнении с заданными критериями. Реализовывать эти критерии необходимо уже на стадии планирования и проектирования новых объектов. Реализация этих критериев позволит не только контролировать ситуацию, но и перейти к управлению гидрогеологическими процессами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на воды зоны активного водообмена, позволяющая осуществить гидрогеологическое моделирование исследуемой территории, на основе типизации природно-технической системы по защищенности подземных вод от загрязнения, преимущественно сернокислыми соединениями тяжелых металлов. Для оценки трансформации вод под влиянием природных и техногенных факторов использованы модульные параметры с построением схемы типизации территории по защищенности подземных вод от загрязнения.

Гидрогеологическое состояние подземных вод осложнено развитием ареалов и потоков рассеяния преимущественно не консервативных компонентов -сернокислых соединений тяжелых металлов. Происходит истощение ресурсов подземных вод за счет их загрязнения.

Созданы гидрогеологические модели, позволившие впервые раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности. Выявлены преобразования подземных вод под влиянием природных и техногенных факторов с уточнением ситуации на основе гидрогеологической карты, профилей, разрезов и схемы типизации по защищенности подземных вод от загрязнения, на которой каждый тип районов характеризуется своей вертикальной зональностью. Основные водные ресурсы района сосредоточены в аллювиальном водоносном горизонте, не защищенном от загрязнения. Они взаимосвязаны с речными водами, за счет которых возможно восполнять их запасы.

Разработаны критерии по минимизации техногенной нагрузки на природно-техническую систему с целью стабилизации ситуации на водохозяйственных объектах путем оценки источников загрязнения, построения схем ее типизации и применения комплексных барьеров. При реализации этих критериев необходимо опираться на систему мониторинга и непрерывно формировать базы данных, внедряя эти критерии в планирование и проектирование новых объектов. Используя схему типизации, можно уже на стадии планирования и проектирования размещать экологически опасные объекты на площадях, хорошо защищенных от загрязнения, а участки, на которых подземные воды не защищены от загрязнения, создавать искусственные барьеры и включать их в состав санитарно-защитных зон.

Список работ, опубликованных по теме диссертации в рецензированных

журналах по списку ВАК

1. О состоянии водных ресурсов Оренбуржья / Погосян Ю.М. // Проблемы региональной экологии. - 2011. - № 5. - С. 24-28.

2. Характеристика гидрогеоэкологического состояния Оренбургской области. / Гаев А.Я., Погосян Ю.М., Галянина Н.П., Савилова Е.Б. // Вода, химия и экология,- 2012. -№3. - С. 3-9 (доля автора 30 %).

3. Роль уязвимости территории к техногенному воздействию при создании систем мониторинга. / Гаев А.Я., Погосян Ю.М., Галянина Н.П., Савилова Е.Б. // Проблемы региональной экологии. - 2012. - № 3. - С. 14-20 (доля автора 25 %).

Статьи и тезисы докладов, опубликованные в центральных и региональных изданиях

4. Гаев, А.Я. К разработке моделей геологической среды нефтегазоносных районов на примере Ю. Приуралья / А.Я. Гаев, JI.A. Абукова, Ю.М. Нестеренко, Ю.М. Балабанова и др. // Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и прикладные вопросы). - 2010. - Мат. Всеросс. конф., посвященной 85-летию A.A. Карцева. - С. 30-35 (доля автора 15 %).

5. Гаев, А.Я. О применении дистанционных методов при геоэкологических исследованиях / А.Я. Гаев, Ю.А. Килин, Ю.М. Балабанова и др. // Антропогенная трансформация природной среды: материалы междунар. конференции - Пермь: ПГНИУ - 2010,- Т. 1. Ч. 1. - С. 202-209 (доля автора 20 %).

6. Гаев, А.Я. Барьерный принцип защиты окружающей среды /А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Балабанова и др. // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тезисы док. Междунар. конференции - Изд. Тюменского госунта, -2010. - С. 29-31 (доля автора 20 %).

7. Гаев, А.Я. О стратегии сохранения биоразнообразия / А.Я. Гаев, Ю.М. Балабанова, И.Н. Алферов, А.И. Рахимов // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тезисы док. Междунар. конференции - Изд. Тюменского госун-та, - 2010. - С. 33-35 (доля автора 25 %).

8. Гаев, А.Я. К истории техногенеза в нефтегазоносных районах на примере Оренбуржья / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Балабанова, М.П. Коземчук // Эко-лого-географические проблемы нефтегазовых регионов: теория, методы, практика / Док. IV МНПК, НГГУ,- 2010. - С. 79-82 (доля автора 30 %).

9. Гаев, А.Я. О новых технологиях защиты водохозяйственных объектов / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Балабанова и др. // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации /Мат. Междунар. НК. Ч. 5. ИПК ГОУ ОГУ. - 2010. - С. 133-136 (доля автора 20 %).

10. Гаев, А.Я. О внедрении ГИС-технологий в системы мониторинга нефтегазодобывающих районов / А.Я. Гаев, В.Г. Гацков, Ю.М. Балабанова и др. // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации /Мат. МНК. Ч. 5. ИПК ГОУ ОГУ. - 2010. - С. 140-144 (доля автора 20 %).

11. Гаев, А.Я. К гидрогеоэкологии Оренбургской области / А.Я. Гаев, Ю.М. Балабанова, В.Г. Гацков и др. // Геология, полезные ископаемые и проблемы гео-

экологии Башкортостана / Мат. 8-ой междунар. НПК. ДизайнПолиграфСервис. -2010. - С. 237-239 (доля автора 20 %).

12. Гаев, А.Я. О проблеме водоснабжения населения в вододефицитных районах (на примере бассейна р. Урал) / А.Я. Гаев, Ю.М. Балабанова, И.Н. Алферов и др. // Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана / Мат. 8-ой междунар. НПК. ДизайнПолиграфСервис. - 2010. - С. 240-242 (доля автора 20 %).

13. Балабанова, Ю.М. К методике региональных гидрогеоэкологических исследований в вододефицитных районах / Ю.М. Балабанова, А.Я. Гаев, И.Н. Алферов и др. // Арчиковские чт.: Науки о Земле: сб. мат. МНТК. Чувашский ун-т. -2010. - Вып 1. - С. 12-16 (доля автора 30 %).

14. Гаев, А.Я. О стратегии обеспечения безопасности жизнедеятельности / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Погосян и др. // Экологические проблемы промышленных городов / Сб. науч. тр. под ред. проф. Е.И. Тихомировой / Ч. 2. Изд. Саратовского гостехуниверситета. - 2011. - С. 38-39 (доля автора 20 %).

15. Гаев, А.Я. Способы защиты качества питьевых подземных вод // А.Я. Гаев, Ю.М. Погосян, И.Н. Алферов, А.И. Рахимов / Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии /Мат. МНПК. ВСЕГИЕ-ГЕО. 4.1. - С. 224-234 (доля автора 25 %).

16. Гаев, А.Я. О состоянии и перспективах развития водного хозяйства вододефицитных районов (на примере Оренбургской области) / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Погосян, А.И. Рахимов // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов / T. III. - Управление водными ресурсами реч. Водосборов, тр. МНПК. ПГУ. - 2011. - С. 33-36 (доля автора 25 %).

17. Гаев, А.Я. Водохозяйственные проблемы горнодобывающих вододефицитных районов (на примере Оренбургской области) / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Балабанова // Экологическая безопасность промышленных регионов //Мат. II Ур. Междунар. экол. Конгресса. МАНЭБ. Ин-т экономики УрО РАН. - 2011. -С. 41-44 (доля автора 20 %).

18. Gayev A.Ya., Kilin Yu.A., Alferov I.N., Pogosyan Yu.M. About geotech-nological use of deep absorption horizons // Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий / сб. тр. IV Международн. гео-технич. симпозиума (26-29 июля 2011 г.; Хабаровск) - ДВГУПС. - 2011. - С. 324326 (доля автора 25 %).

19. Гаев, А.Я. О гидрогеологических закономерностях и особенностях формирования регионов Урала и Приуралья / А.Я. Гаев, Ю.А. Килин, Ю.М. Погосян, И.Н. Алферов // Комплексные проблемы гидрогеологии. Тез. докл. науч. конференции / под ред. П.К. Коносавского, Р.А. Филина / С-Петерб. ун-т,- 2011. - С. 53-55 (доля автора 25 %).

20. Гаев, А.Я. Гидрогеологические закономерности регионов Урала и Приуралья / А.Я. Гаев, Ю.А. Килин, Ю.М. Балабанова и др. // Мат. Юбилейной Всероссийской конф., посвященной 75-летию кафедры гидрогеологии, инж. геол. и геоэкологии - 2011. - С. 546-552 (доля автора 20 %).

21. Гаев, А.Я. Гидрогеологические особенности Оренбуржья и сопредельных районов / А.Я. Гаев, Ю.М. Погосян, Ю.А. Килин, А.Н. Мишустин // Геогра-

фическое пространство, сбалансированное развитие природы и общества / Мат. ,заоч. НПК. Челяб. гос. пед. ун-т. - 2011. - С. 101- 105 (доля автора 30 %).

22. Гаев, А.Я. Гидрогеоэкологическое состояние территории Оренбуржья и мероприятия по его стабилизации / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Е.Б. Савилова, Ю.М. Погосян // Вестник ПГУ. Вып. 4 (17). - 2012. - С. 90-98 (доля автора 25 %).

23. Гаев, А.Я. О водных ресурсах Оренбургской области / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Ю.М. Погосян, Е.Б. Савилова // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий / мат-лы II Всеросс. НПК с междунар. участием 22-25 мая. «Край Ра». - 2012. - С. 77-81 (доля автора 25 %).

24. Гаев, А.Я. К гидрогеоэкологии Оренбуржья / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов,

B.Г. Гацков, Е.Б. Савилова, Ю.М. Погосян // Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии / Сб. тезисом и ст. всеросс. молодежной конф. Юж,-РГТ Ун-т (НПИ). ЛИК. - 2012. - С. 133-136 (доля автора 20 %).

25. ívan Alferov, Arcady Gaev, Julia Pogosyan and another. Application of complex geochemical barriers // Saul. Incheon Disaster Prevention Center Vol.1 No.l May. 2012 (доля автора 20 %).

26. Гаев, А.Я. Гидрогеоэкологические условия формирования водных ресурсов Оренбургской области / А.Я. Гаев, Ю.М. Погосян, Н.С. Алферова, И.Н. Алферов // Ресурсы подземных вод - важнейший элемент устойчивого развития Казахстана / Мат. МНТК. Алматы, Казахстан - 2012. - С. 297-299 (доля автора 30 %).

27. Гаев, А.Я. Математическое моделировании, геоинформационные системы и базы данных в гидрогеологии / А.Я. Гаев, И.В. Куделина, Т.В. Леонтьева, Ю.М. Погосян, Е.Б. Савилова // Материалы всероссийской НПК. Российский союз Гидрогеологов, кафедра гидрогеологии МГУ им. М.В. Ломоносова и др. - 2013 г. - С. 19-20 (доля автора 20 %).

28. Гаев, А.Я. О формировании химического состава природных вод северной части Оренбурга и его окрестностей / А.Я. Гаев, И.В. Куделина, Т.В. Леонтьева, Ю.М. Погосян, Е.Б. Савилова // Геология и полезные ископаемые Западного Урала / статьи по материалам per. НПК/ гл. ред. Р.Г. Ибламинов. ПГНИУ. - 2013. -

C. 114-118 (доля автора 20 %).

29. Гаев, А.Я. Зависимость аккумуляции и стока природных вод от лесистости (на примере бассейна р. Урал) / А.Я. Гаев, И.В. Куделина, Т.В. Леонтьева, Ю.М. Погосян, И.Н. Алферов // Современные проблемы гидрогеологии, инж. геологии и геоэкологии Урала и сопред. терр. / мат. П Всеросс. НПК. - изд. УГГУ. -2013. - С. 72-76 (доля автора 20 %).

30. Гаев, А.Я. Условия формирования подземных вод на территории Оренбургской области / А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, И.В. Куделина, Т.В. Леонтьева, Ю.М. Погосян И Современные проблемы гидрогеологии, инж. геологии и геоэкологии Урала и сопред. терр. / мат. II Все-росс. НПК. - изд. УГГУ. - 2013. - С. 76-79 (доля автора 20 %).

Подписано в печать «23» апреля 2014 г. Формат 60x84 1/16. Усл. - печ. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1801.6 Издательско-полиграфический центр КубГУ 350040 ул. Ставропольская, 149

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Погосян, Юлия Михайловна, Пермь

На правах рукописи

Погосян Юлия Михайловна

04201459408

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(на примере района Гайского медно-колчеданного месторождения)

Специальность 25.00.07- Гидрогеология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Гаев Аркадий Яковлевич

Пермь-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 КРАТКИЙ ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ........9

1.1 Ранние этапы исследований природных вод региона.......................................9

1.2 Прикладные гидрогеологические исследования.............................................14

1.3 Специальные гидрогеологические исследования............................................17

Выводы по главе 1...........................................................................................20

ГЛАВА 2 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ............................................................................23

2.1 Физико-географическая характеристика..........................................................23

2.2 Геологическое строение.....................................................................................32

Выводы по главе 2.....................................................................................................40

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИСЛЕДОВАНИЙ.............................................................42

3.10 современных гидрогеологических представлениях........................................42

3.2 Методы сбора, систематизации и интерпретации материалов......................45

3.3 Источники загрязнения подземных вод...........................................................55

3.4 Дистанционные методы исследований.............................................................62

3.5 Защищенность гидросферы от загрязнения..................................................64

3.6 Прогнозная оценка техногенной трансформации гидросферы......................70

Выводы по главе 3.....................................................................................................72

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ......74

4.1 Особенности формирования подземных вод в различных гидролого-гидрогеологических условиях..................................................................................74

4.2 Защищенность подземных вод от загрязнения и картографирование источников загрязнения............................................................................................92

4.3 Техногенная трансформация химического состава подземных вод............ 96

Выводы по главе 4....................................................................................................102

ГЛАВА 5 ЗАЩИТА И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ

РЕСУРСОВ...............................................................................................................104

5.1 О состоянии водных ресурсов Гайского горнорудного района и сопредельных территорий.......................................................................................104

5.2 Основные тенденции техногенной трансформации химического состава подземных вод .........................................................................................................106

5.3 Защита и рациональное использование подземных вод..................................110

Выводы по главе 5...................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................122

СПИСОК .ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В горнодобывающих районах Оренбуржья распространены опасные для гидросферы процессы, обусловленные большой техногенной нагрузкой, в частности, от разработки крупнейшего в мире Гайского медно-колчеданного месторождения. В Гайском горнодобывающем районе, в городах Гай, Орск и Новотроицк сосредоточена почти половина населения области. Уникальное по запасам и составу руд Гайское месторождение разрабатывается с 1959 г. Глубина двух карьеров достигла 300 м, а шахты более 600 м. За этот период накоплены сотни миллионов тонн твёрдых отходов производства, площадь депрессионной воронки достигла 30 км2, в водоёмы и окружающую среду (ОС), до внедрения оборотного водоснабжения, сбрасывались миллионы кубометров недостаточно очищенных сточных вод. Поэтому, и в настоящее время, источники водоснабжения населения продолжают загрязняться. Сформировалась сложная природно-техническая система, под которой в гидрогеологии понимается зона активного водообмена, испытывающая техногенные преобразования под воздействием создаваемой инженерной инфраструктуры. В связи с этим, гидрогеологические исследования района месторождения и разработка мероприятий по защите вод зоны активного водообмена от загрязнения весьма актуальны.

Цель работы: охарактеризовать гидрогеологические условия природно-технических систем района Гайского медно-колчеданного месторождения для обоснования мероприятий по снижению негативного воздействия техногенной нагрузки на водные объекты.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- оценка ресурсов и состояния подземных вод горнорудного района;

- установление тенденции преобразований подземных вод;

- разработка критериев по снижению техногенной нагрузки на подземные воды для стабилизации ситуации.

Объект исследований: состояние подземных вод исследуемого района, подверженных техногенному воздействию горно-рудных объектов.

Предмет исследований: природно-технические системы района и пути минимизации их техногенного воздействия на подземные воды.

Фактический материал и методы исследований. Использованы полевые, натурные фактические и фондовые картографические материалы, данные поисковых и геолого-разведочных работ по месторождению, а так - же материалы по эксплуатации подземных вод. Использован отечественный и зарубежный опыт по минимизации негативного воздействия на подземные воды природно-технических систем, включая аналитический метод, системный анализ техногенных воздействий на водную среду, лабораторные, расчётно-графические и экспериментальные исследования. Использованы гидрогеологические и географические материалы, данные по техногенным объектам и имеющиеся аналитические материалы по загрязнению подземных вод и ОС. Использованы результаты других исследователей по взаимодействию в системе «вода - порода» (известняки, песчаники на карбонатном и карбонатно-глинистом цементе). Собраны и систематизированы результаты физико-химических анализов проб природных и сточных вод (630 проб), почв и грунтов (430 образцов). Использованы анализы водных вытяжек из почв и грунтов (370). Материалы собраны, как из фондовых источников, так и на 25% лично автором.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на основе типизации зоны активного водообмена по защищенности подземных вод от загрязнения, позволяющая осуществить моделирование природно-технической системы.

2. Гидрогеологические модели, позволившие раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности.

3. Критерии по снижению техногенной нагрузки, позволяющие минимизировать техногенное воздействие на подземные воды путем применения барьерных технологий.

Научная новизна:

- выделены четыре типа вертикальной гидрогеологической зональности исследуемого района, что позволило раскрыть условия загрязнения подземных вод в плане и разрезе;

обоснована приуроченность каждого типа вертикальной гидрогеологической зональности к определенному типу районов, что использовано при оценке защищенности подземных вод;

- разработаны критерии по защите подземных вод и водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения на основе применения барьерных технологий и модульных принципов оценки состояния вод.

Практическая значимость результатов:

- установлены масштабы загрязнения и осолонения подземных вод в плане и разрезе, позволяющие прогнозировать возможность дальнейшего ухудшения ситуации в случае отсутствия необходимых мероприятий;

- предложены рекомендации по минимизации техногенной нагрузки на подземные воды на основе применения барьерных технологий для защиты водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения.

Апробация результатов работы. Положения работы докладывались автором: на Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов»: Тюменский гос. ун-т, сентябрь 2010 г., на Всероссийской научной конференции: «Современная гидрогеология нефти и газа», посвященной 85-летию проф. A.A. Карцева. Москва, октябрь 2010 г., на Международных конференциях: «Антропогенная трансформация природной среды». Пермь, ПТУ, ноябрь 2010 г., «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации». Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, декабрь 2010 г., «Эколого-географические проблемы нефтегазовых регионов: теория, методы, практика». Нижневартовск, НЕГУ, декабрь 2010 г., «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана». Уфа, ноябрь 2010 г. «Арчиковские чтения: науки о Земле и стратегия устойчивого развития». Чебоксары. Чувашский ун-т, ноябрь 2010 г., «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и

информационные технологии». Моск. обл., п. Зеленый, ВСЕГИЕГЕО, апрель 2011 г., «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов». ПГНИУ, Пермь, май 2011 г., на Международном симпозиуме «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (26-29.07.11; Хабаровск. Россия. ДВГУПС, на научной конференции «Комплексные проблемы гидрогеологии».- СПб.: С-Пб. ун-т, июнь 2011; на научных и научно-практических конференциях: «Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии», ТПУ: Томск, сентябрь 2011 г., «Географическое пространство: сбалансированное развитие природы и общества». ЧГПУ, Челябинск, октябрь 2011 г., «Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» Юж. -Рос. ГТУ(НПИ). Новочеркасск, март 2012 г., «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». Уфа, 22-25.05.12. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, включая 3 статьи в рецензированных журналах (доля автора 50 %). Результаты исследований внедрены в учебный процесс при изучении курсов «Гидрогеология», «Гидрогеоэкология» и «Природопользование Оренбуржья».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем текста - 145 страниц, количество рисунков - 32, таблиц - 7, библиографический список содержит 223 наименования.

Автор выражает признательность научному руководителю профессору А .Я. Гаеву за поддержку и ценные советы. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедр геологии Оренбургского государственного университета и динамической геологии и гидрогеологии Пермского государственного национального исследовательского университета за многочисленные консультации и важные замечания. Автор осознает, что фактической основой исследований послужили не только личные материалы, но и результаты исследований научных лабораторий и ученых, полученные в течение многолетних работ на территории Гайского района Оренбургской области, и

выражает им искреннюю благодарность. А так же благодарит соавторов совместных статей.

ГЛАВА 1 КРАТКИЙ ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Ранние этапы исследований природных вод региона

Гидросфера и процессы техногенеза в системе вода - горная порода - газ — живое вещество в вододефицитных районах Оренбургской области, и в частности, бассейне р. Урал, исследованы недостаточно (рисунок 1.1). Первые сведения о регионе и полезных ископаемых Южного Урала были получены академическими экспедициями Российской академии наук в конце XVIII - начале XIX вв. В дальнейшем исследованиями здесь занимались А.П. Карпинский, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Л.С. Либрович, А.Л. Яншин, A.C. Хоментовский и др.

При исследовании распространения процессов формирования подземных вод важную роль играет закон естественно исторической зональности в природе, впервые сформулированный русским почвоведом В.В. Докучаевым для почвенно-растительного покрова, а в дальнейшем его учениками и последователями -по отношению к грунтовым водам.

Начиная с 50-х гг. прошлого столетия изучению глубинного строения подземной гидросферы способствовали материалы, полученные в результате поисков и разведки месторождений нефти и газа и глубокого бурения, на обширных площадях. Поэтому гидрогеологическая зональность наиболее изучена в пределах отрицательных структур земной коры на платформе, в краевых прогибах и межгорных впадинах. Для горно-складчатых областей, характеризующихся широким развитием трещинно-жильных вод,

гидрогеохимическая зональность изучена гораздо слабее. В России систематическое изучение подземных вод началось в XVIII веке. В этот период основную роль в накоплении гидрогеологических данных в стране сыграла Российская Академия наук, учрежденная в 1724 г. указом Петра I. Глубокий след в науке оставил М.В. Ломоносов. Он высказал в своем фундаментальном труде «О слоях земных» идеи о зависимости состава подземных вод от

водовмещающих пород. Большое значение для развития гидрогеологии имели академические научно-исследовательские экспедиции на Урал П.С. Палласа, Г. Абиха, Н.П. Рычкова, В.Ф. Зуева, И.И. Лепехина, Н.П. Соколова. В.Ф. Зуев отметил влияние физико-географических условий на состав и минерализацию грунтовых вод. Особое место занимают исследования специалистов Российского геологического комитета, учрежденного в 1882 г., а так же труды Р.И. Мурчисона, А.П. Карпинского, И.В. Мушкетова, Ф.Н. Чернышева, В.В. Докучаева. На развитие гидрогеологии повлияли разработки методов анализа природных вод на макро- и микроэлементы, на растворенные органические вещества, газы и микроорганизмы, и, прежде всего, работы А.Л. Потылицина, К.В. Харичкова, П.Л. Гинзбург-Карагичевой, Э. Бастон. Первые работы по изучению зональности подземных вод появились в конце XIX - начале XX вв. и были связаны с изучением водоносных систем, близко залегающих к поверхности земли, т.е. вод зоны аэрации и грунтовых вод. Эти работы были выполнены С.Н. Никитиным, В.В. Докучаевым, А.Д. Стопневичем и B.C. Ильиным.

Казахстан

Рисунок 1.1 Обзорная карта расположения Гайского горнорудного района I - Гайский горнорудный район с медно-колчеданным месторождением (1) и обогатительной фабрикой. Медно-колчеданные месторождения: 1 - Гайское; 2 -Медногорское; 3 - Летнее. II - город Оренбург - областной центр с районом Оренбургского нефтегазового комплекса (ОНГК), нефтегазоконденсатным месторождением и газоперерабатывающим заводом

Еще в 1914 г. гидролог П.В. Отоцкий, ученик В.В. Докучаева, отметил: «По мере движения на юг грунтовые воды углубляются и минерализуются». Он

выделил с севера на юг четыре широтные зоны грунтовых вод, различающиеся глубиной залегания и минерализацией: 1) неглубокие, сливающиеся с поверхностными, слабоминерализованные грунтовые воды, богатые органическими веществами полярно-тундровой полосы; 2) неглубокие, умеренно минерализованные воды лесной полосы; 3) местами глубокие и в различной степени минерализованные воды степной полосы; 4) глубокие, значительно минерализованные воды, формирующиеся южнее степной полосы.

В 1922 г. B.C. Ильин, развивая идеи В.В. Докучаева и П.В. Отоцкого, составил карту грунтовых вод для европейской части бывшего СССР, на которой был показан зональный характер их распространения. Изучая зональность грунтовых вод, B.C. Ильин пришел к выводу, что грунтовые воды являются функцией климата, рельефа, геологического строения и глубины вреза эрозионной дренирующей сети. Помимо зональных (семь зон), были выделены 6 типов азональных грунтовых вод: 1) грунтовые воды конечных морен; 2) трещинные грунтовые воды в массивах пород и продуктах их разрушения (Кольский п-ов, Урал); 3) карстовые воды Онего-Двинского междуречья, Кунгурско-Уральского района и др.; 4) болотные воды, т.е. грунтовые воды, приуроченные к болотным массивам; 5) аллювиальные воды областей распространения современного и древнего аллювия и флювиогляциальных отложений; 6) грунтовые воды солончаков.

В 30-40-х гг. XX в. исследования природы зональности грунтовых вод были продолжены O.K. Ланге, А.Н. Семихатовым, Н.И. Духаниной, Г.Н. Каменским, И.В. Гармоновым. O.K. Ланге, пользуясь принципами B.C. Ильина, составил карту зональных грунтовых вод для всей территории бывшего СССР, выделив три провинции грунтовых вод [73].

Становлению геохимии подземных вод (гидрогеохимии) способствовало выявление широкого регионального распространения рассолов в земных недрах. Весной 1929 г. В.И. Вернадский выступил в Российском минералогическом обществе с докладом на тему «О классификации и химическом составе природных вод», в котором сформулировал содержание современной

гидрогеохимии. В 1933 г. вышел в свет первый выпуск, не имеющего аналогов фундаментального по охвату и содержанию труда — «История природных вод» [31]. Учение о широтной зональности получило значительное развитие. Установлено, что каждая зона или геохора по В.И. Вернадскому, характеризуется специфическим составо