Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование возможности захоронения техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Романова, Марина Андреевна

Введение

Глава 1. Состояние вопроса об утилизации техногенной углекислоты

Глава 2. Характеристика геологических условий северо-западной части Московской синеклизы (промышленный район г. г. Череповец, Рыбинск, Ярославль)

2.1. стратиграфия и коллекторские свойства пород

2.2. тектоника и история геологического развития

Глава 3. Гидрогеологические условия.

3.1. Характеристика подземных вод

3.2. Зональность подземных вод

Глава 4. Оценка геолого-гидрогелогических условий с позиций возможности захоронения техногенной углекислоты.

Глава 5. Физико-химическое моделирование в гидрогеохимической системе «природный раствор -порода - газ».

Введение Диссертация по геологии, на тему "Исследование возможности захоронения техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты"

В настоящее время проблема парникового эффекта широко обсуждается с точки зрения возможной экологической катастрофы. Из техногенных газов наибольшее значение для возникновения парникового эффекта имеет диоксид углерода, вклад которого в процесс общего потепления атмосферы составляет 50 - 60 %. Поэтому предотвращение парникового эффекта во многом зависит от контроля над содержанием СО2 в атмосфере и источниками его эмиссии.

В настоящей работе, в качестве одного из вариантов борьбы с парниковым эффектом, рассматривается идея гидрогеохимического метода предотвращения парникового эффекта, заключающаяся в закачке техногенного СО2 в глубокие водоносные горизонты.

Объектом исследований, является блок геологической среды, выделенный в пределах промышленного района г.г. Череповец, Рыбинск, Ярославль, северо-западной части Московской синеклизы (рис. 3). Изучаемый район имеет значительную промышленную нагрузку, что определяет необходимость применения мер для утилизации выбросов Череповецкого металлургического комбината.

Целью работы является исследование геолого-гидрогеологических условий для предполагаемого захоронения техногенной СО2 на данной территории, а также установление основных закономерностей протекания физико-химических процессов в гидрогеохимической системе "поровый раствор - порода - техногенная углекислота". Основными задачами исследований являются:

1. Оценка геолого-гидрогеологических условий района; выбор возможного водоносного горизонта для проведения закачки техногенной углекислоты;

2. Исследование процессов взаимодействия техногенной углекислоты с природными водами и вмещающими их породами в выбранных гидрогеохимических системах;

3. Выбор физико-химических моделей, соответствующих природным условиям;

4. Анализ и сравнение результатов термодинамического моделирования гидрогеохимических процессов для различных расчетных моделей;

5. Количественная оценка влияния возможных процессов взаимодействия техногенной углекислоты с природными водами и вмещающими их породами на природную гидрогеохимическую систему с помощью термодинамического моделирования.

Для исследований были использованы следующие методы: 3

1. Анализ фондовых материалов по геологии и гидрогеологии района, данных по материалам бурения глубоких скважин и результатов опробования дочетвертичных водоносных горизонтов;

2. Термодинамическое моделирование физико-химических процессов, возможных при закачке техногенной углекислоты в выбранный водоносный горизонт.

Защищаемыми положениями в данной работе являются следующие:

1. Геолого-гидрогеологические условия являются основополагающими при выборе водоносного горизонта, перспективного для возможной закачки техногенной углекислоты.

2. Гидрогеохимическая система «СОг - природный раствор - кварц-полевошпатовые терригенные породы» является наиболее благоприятной для проведения закачки углекислоты.

3. Гидрогеохимическая система «СО2 - природный раствор - карбонатные породы» не отвечает требованиям экологической безопасности и не пригодна для возможной утилизации СО2.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 68 наименований, 4 графических и 4 текстовых приложений, изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 16 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Романова, Марина Андреевна

Заключение.

В результате проведенных исследований был собран и проинтерпретирован большой материал по тематике поставленной проблемы. Современное состояние вопроса о парниковом эффекте, дало возможность выделить наиболее перспективные аспекты для дальнейшего рассмотрения и изучения. В настоящей работе, в качестве одного из вариантов борьбы с этим экологически неблагоприятным явлением, рассматривается гидрогеохимический способ, заключающийся в закачке техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты. Объектом исследований являлся блок геологической среды в северозападной части Московской синеклизы (промышленный район г.г. Череповец, Рыбинск, Ярославль), как возможный для предполагаемой утилизации техногенного СОг, выбрасываемого в атмосферу Череповецким металлургическим комбинатом.

Целью работы являлся выбор глубокого водоносного горизонта, перспективного для проведения возможной закачки техногенной углекислоты. Для этого собраны и проанализированы материалы по геологии, гидрогеологии и тектоническому строению промышленной зоны и прилежащим к ней областей, которые явились основополагающими при выделения блока геологической среды в пределах исследуемого района, а также послужили исходными данными при исследовании процессов взаимодействия СО2 с природными водами и вмещающими их породами.

Анализ геолого-гидрогеологических условий в свете предъявляемых общих требований к подземному захоронению жидких промышленных отходов, позволяет выбрать ряд водоносных горизонтов, перспективных для этих целей:

Горизонты в отложениях фаменского яруса верхнего отдела и живетского яруса среднего отдела девонской .системы, максимально отвечают предъявляемым требованиям. Эти горизонты залегают на глубинах, соответствующих зоне застойного гидродинамического режима, где водообмен совершается не чаще, чем 1 цикл в 300 лет (зона замедленного или весьма замедленного водообмена с земной поверхностью). Литологический состав пород девона (пески, алевриты, песчаники) определяет достаточно однородные условия фильтрации, а значения водопроводимости составляют 1-10 м2/сутки при пористости пород 9-11 %, проницаемость - от 37 мДарси (скв. Любим) до 840 мДарси (скв. Солигалич), величина внутрипластового давления составляет 10-17 МПа.

Они не содержат пресные и слабосолоноватые воды, пригодные для питьевых целей. Природные растворы, содержащиеся в поровых формациях этих

ОД Н0СНЫХ горщонтов1 ра е даацией до 270 г/л. Температура воды 40 - 45 ° С. Подземные воды девонских тложении содержат , повышеннь* кол„ествах ^ ^ e ^^^ ^ ^

ВОДЫ „е используются для бальнеологических и промышленных целей.

В пределах исследуемой площади, пласты „е содержат полезных ископаемых и не эксплуатируются.

Следует также обратить внимание „а экономическую эффективность захоронения СО, кот™«, „ ,

2, которая в значительной степени определяется глубиной поглощающих скважин. Так как с глубиной ухудшаются фильтрационные свойства и приемистость пластов, это ограничивает возможна закачки. Исходя из анал^а изменения фильтрационных свойств с глубиной, вертикальной гидрохимической зонально^ наиболее оптимальными для захоронения являются глубины от 500 До М. Выбранные водоносные горизонты и комплексы отвечают этому требований Горизонты надежно изолированы слабопроницаемыми порода»« (глинами, мергелями, гипсом, аргиллитами) от выщележащих водоносных горизо«™ Перекрывающие и подстилающие водоупоры выдержаны по площади и яв^»™ региональными. Глубина залегания водоносного горизонта во франско-жив^ких отложениях девонского комплекса составляет М00 м, мощностью от 150 м до 200 м, верхним водоупором служат карбонатно-глинис™ отложения верхнедевонского возраста, мощностью пп i7<

Д0 175 м в Раионе Солигалича, являющиеся региональным - упором; в подошве ГОризонта залегают глинистые литы ^ глины нижнеживетского возраста, также являющиеся региональным водоупором. б фе ны ВЫШе В0Д°УП0Р0В' Перекрьшающйх намечаемые горизонты, залегают ^Уферные водоносные горизонты, содержащий подземные воды, непригодные для питьевых, бальнеологических и промышленных целей Такими буферными горизонтами являются: для отложений фаменского яруса верхнего нижнекаменноугольный водоносный комплекс, содержащих хлоридно -рассолы с минерализацией от 20 г/л; для водоносного горизонта ^отложени^среднего дев0на- фра„ский водоносный комплекс.

Закономерности-, лространственного распространения отложении должны обеспечивать достаточно протяженную зону транзита подземных вод до предполагаемой зоны разгрузки. Зона транзита вод данного комплекса перекрыта, примерно, в радиусе 100 км региональным водоупором: , ™ создает надежную защиту от проникновения углекислош газа в выше- ^ пласты. девона -натриевые живетских водоносных нижележащие

87

В ближайшей окрестности (в радиусе 20-30 км), пласт выходит на поверхность и не связан с рекой.

Исследуемый район не является тектонически-сложным и сейсмически активным.

Анализ природных условий исследуемого района, позволил спрогнозировать возможные гидрогеохимические процессы, которые, в свою очередь, могут быть физико-химически смоделированы. Для моделирования взят макрокомпонентный состав природного раствора скважины N 22 (г. Вологды). Скважина вскрывает отложения девона, которые представлены двухслойной толщей, состоящей из карбонатных и терригенных пород. Было выделено две гидрогеохимические системы, которые послужили основанием для составления физико-химических моделей: терригенной и карбонатной (или терригенной адаптированной). Компьютерное моделирование проводилось при помощи программы «БАЛАНС» Н. Н. Акинфиева. Нами моделировался следующий процесс: в водоносный горизонт закачивается углекислота (предварительно выделенная из газовой смеси, сжиженная или сжатая); задаются давление, температура, состав природного раствора и породы; протекают реакции в растворе, реакции породы с раствором; процесс заканчивается установлением термодинамического равновесия в системе газ - природный раствор- порода. Рассчитывается равновесный состав системы при заданных давлении и температуре. Показано, что при возможной закачке, в данных природных условиях будут протекать химические реакции взаимодействия, приводящие к изменению физико-химических условий в данном водоносном горизонте. Повышение давления углекислого газа над раствором приводит к увеличению растворимости углекислого газа в соответствии с законом Генри, в результате начинает преобладать физический процесс растворения, ведущий к переходу газообразного С02 в форму СО20:

С02 (газ)= С02° , что, в свою очередь, приводит к изменению реакции среды на кислую. Растворение СО2 сопровождается расширением системы. Преобладание физического процесса растворения углекислоты над растворением породы очень важно для пшщманм ггро^ходящего процесса, поскольку он приводит к увеличению общего объема систем. За счет взаимодействий СО2 с породами и природным раствором^ изменяется объем как твердой, так и жидкой составляющих системы. Видно, что уменьшение объема твердой фазы в системе карбонатных пород компенсируется увеличением объема жидкой фазы за счет изменения растворенного СО2; в случае

88 терригенных пород происходит преобразование гидрослюд и значительный рост объема систем снимает вопрос о возможности карстообразования в данных условиях. Кольматация водоносного горизонта в данных условиях также невозможна, так как пористость водовмещающих пород значительно превышает объемы образовавшихся гидрослюд.

В результате проведенной работы был выделен водоносный комплекс, развитый в терригенных отложениях средне - верхнедевонского возраста, как максимально отвечающий предъявляемым требованиям к подземному захоронению промышленных выбросов.

Выбор конкретных площадей для задач утилизации промышленных газов, в настоящее время, требует дополнительной проработки имеющейся геологической информации с целью районирования всей территории по условиям сохранности газа в недрах. Представляется, что наиболее подходящими геологическими объектами для закачки в них промышленных газов могут быть локальные поднятия (антиклинальные складки) вблизи Ярославля, бесперспективность нефтегазоносности которых достаточно очевидна. Кроме того, определенный интерес могут представлять зоны развития региональных флюидоупоров вдоль поверхностей стратиграфического несогласия, в частности, зона трансгрессивного срезания венда и ордовика отложениями девона, расположенная в районе Ярославля и Рыбинска на глубине (~ 1,5 км) вполне приемлемой для закачки промышленного газа.

Следует отметить, что вопрос о возможном захоронении СО2 на данной территории рассматривался, в настоящей работе, с принципиальной точки зрения. Не затрагивались многие вопросы, которые позволили бы принять окончательное решение о возможности утилизации техногенной углекислоты, как с точки зрения методики, так и применительно к конкретной площади. Также остаются неизученными многие вопросы, связанные с геологическим строением наиболее глубоких водоносных горизонтов (характер и распространение трещиноватости известняков по площади и в пределах мощности пластов; на отдельных участках не известна глубина залегания и тектоническое строение кристаллического фундамента, а также воды распространенные в отложениях кристаллического фундамента; не достаточно изучены подземные воды глубоких водоносных горизонтов и их режим). Также остались нерассмотренными такие важные вопросы как динамика

89 взаимодействий в пласте и влияние изменения фильтрационных и емкостных свойств в массиве пород.

90

Библиография Диссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Романова, Марина Андреевна, Москва

1. Атлас гидрогеологических и инженерно геологических карт ВСЕГИНГЕО, М. 1983.

2. Акинфиев H.H. Алгоритм расчета гетерогенных равновесий для микро-ЭВМ. // Геохимия. N 6 .

3. Акинфиев H.H., Епифанова С.С., Келебеев А. С., Панкратов A.B., Швец В.М. // О гидрогеохимическом способе защиты от парникового эффекта. Геоэкология. 1993. №3.

4. Акинфиев H.H. и др. Методические указания по термодинамическим расчетам равновесий в растворах на ЭВМ. М. 1991.

5. Акинфиев H.H., Никоноров А. П., Осмоловский И. С. Методические указания к лабораторным занятиям по теме: «Термодинамические основы расчетов равновесий в водных растворах». М. 1989.

6. Алихова Т. Н. Стратиграфия ордовикских отложений Северо-западной части Русской платформы с описанием некоторых руководящих форм брахиопод. ВСЕГЕИ. 1951.

7. Барановская 3. Н., Дик Н. Е. К истории формирования бассейна рек Москвы, Клязьмы и Верхней Волги. Землеведение. Том 40. Выпуск 1. 1938.

8. Бакиров А. А. Главнейшие черты геотектонического развития внутренней части Русской платформы // сборник « К геологии Центр. Обл. Русской платформы». ВНИИГАЗ. 1951.

9. Бернштейн В. Б., Гребенюк С. С., Лачина Т. И., Стерлин И. Д. Геологическое строение и гидрогеологические условия бассейна р. Волги в районе Рыбинского водохранилища. Л.: 5 геологическое управление, партия № 692. 1964.

10. Белов П. С., Голубева И. А. Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа. М.: Химия. 1991.

11. Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. М.: Изд-во МГУ. 1992.

12. Гавич И. К., Жемерикина Л. В., Крысенко А. М., Чумакова Д. М. Практикум по гидрогеологии. М.: Недра. 1995.

13. Газовая динамика // сборник статей под ред. Попова С. Г. Институт литосферы АН. 1950.

14. Гатальский М. А. Подземные воды и газы палеозоя северной части Русской платформы. Л.: Гостопиздат. 1954.91

15. Гейслер А. Н., Суханов В. Н. Палеозойские отложения Вологодского района, том 1. Сводный отчет по обработке материалов Вологодской опорной скважины. 1954.

16. Геологическая карта СССР масштаба 1 : 200 ООО ( серия Тихвинско Онежская, лист О -31 - 8).Объяснительная записка. М.: Недра. 1968.

17. Геологическая карта СССР масштаба 1 : 200 ООО ( серия Тихвинско Онежская, лист О - 37 - 9).Объяснительная записка. М.: Недра. 1979.

18. Геологическая изученность СССР. Т. 7. М.: Недра. 1976.

19. Геохимия подземных вод некоторых районов Европейской части СССР. М.: Изд-во АН. 1963

20. Гидрогеология СССР. Том XLIV.

21. Гидрогеология газоносных районов Советского Союза// Труды ВНИИГаз. Выпуск 33/41. М. 1970,

22. Гидрогеология СССР , сводный том, выпуск 1. М.: Недра. 1976.

23. Гидрогеологические условия нечерноземной зоны РСФСР. Под ред. Куликова В. Г. М.: Недра. 1983.

24. Гольдберг В. М., Лукьянчикова Н. П., Скворцов Н. П. Подземное захоронение промышленных сточных вод. М.: Недра. 1994.

25. Дорфман М.Д., Горощенко Я.Г., Сикорская Я.К., Дорфман А.М. О взаимодействии нефелина с водными растворами фтористого натрия и углекислого газа. //Геохимия. 1967. №7.

26. Есин О. А., Гельд П. В. Физическая химия пиррометаллических процессов. Реакции между твердой и газаовой фазой. Свердловск М.: Металлургиздат. 1950.

27. Жуковицкий А. А. Адсорбция газов и паров. Ред. Сыркина Я. К. М.: Химическая литература. 1938.

28. Зайцев И. К., Толстихин Н. И. Закономерности распространения и формирования минеральных подземных вод. М.: Недра. 1972.

29. Игнатович Н. К . Гидрогеология Русской платформы. М.: Изд-во МГУ. 1948

30. Каталог глубоких скважин вскрывших подземные воды в водонапорной системе Московской синеклизы. Кафедра гидрогеологии МГРИ, 1974.

31. Келебеев A.C., Акинфиев H.H., Швец В.М. Физико химическое взаимодействие углекислого газа с щелочными породами глубоких водоносных горизонтов, //Известия вузов. Геология и разведка, 1996 . №1.

32. Кирюхин В. А., Коротков А. И., Шварцев С. Л. Гидрогеохимия. М.: Недра. 1993.

33. Клименко В.В., Снытин С.Ю., Федоров М.В. Теплоэнергетика. N6.92

34. Крайнов СР., Шваров Ю.В., Гричук Д.В. и др. Методы геохимического моделирования и программирования в гидрогеологии. М.: Недра. 1988.

35. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. М.: Недра. 1992.

36. Крайнов С.Р., Мерьков А.Н., Петрова М.Г. и др. О существовании в глубоких горизонтах Ловозерского массива фтор-силикатных рассолов с резкощелочной (pH =12) реакцией. //Геохимия. 1969. №7.

37. Крылова A.B. Сокращение выбросов С02 в атмосферу: процессы его рекуперации и использования в промышленности. //Обзорная информация ВИНИТИ. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов 1989. №7.

38. Кудряшов С. Н. Не дышите диоксинами // газета «Труд» от 04.03.91.

39. Мейсон Э., Малинаускас А. Перенос в пористых средах (перевод с английского) под ред. Баканова С. П. М.: Мир. 1986.

40. Наумов Г. Б., Рыженко Б. Н., Ходаковский И. Л. Справочник термодинамических величин. М.: Атомиздат, 1971.

41. Николаев Н. И. Неотектоника и ее выражение в структуре и рельефе территории СССР. Вопросы региональной и теоретической неотектоники. М.: Госгеолтехиздат. 1962.

42. Овчинников А. М. Минеральные воды. М.: Госгеолтехиздат. 1963.

43. Овчинников А. М. Общая гидрогеология. М.: Изд-во МГУ. 1955.

44. Осипов А. С. и др. Отчет о результатах предварительной и детальной разведки питьевых минеральных вод в г. Череповце (Вологодской области). Л. 1990 г.

45. Патент №1789033. На изобретение:» Способ защиты атмосферы от попадания в нее углекислого газа». Авторы: Панкратов А. В., Швец В. М. 29 ноября 1990 год.

46. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. Л.: Гидрометеоиздат. 1989.

47. Панкратов A.B., Швец В.М. Гидрогеохимический аспект защиты от парникового эффекта.// Советская геология. 1991. N6.

48. Панкратов A.B., Швец В.М. Зароем парниковый эффект?//Химия и жизнь. 1993. №6.

49. Пименов В. П. Филиппова Г. А. , Швец В.М. // О возможностях захоронения техногенного углекислого газа в глубокие водоносные горизонты ( в связи с защитой от парникового эффекта. Геоэкология. 1996. №2.

50. Питьева К. Е. Гидрогеохимия. М.: Изд-во МГУ. 1978.

51. Питьева К. Е. Гидрогеохимические аспекты охраны геологической среды. М.: Изд-во МГУ. 1989.93

52. Попова Н. М. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств. М.: Химия. 1991.

53. Сводная гидрогеологическая карта северной половины листа 0-37 (Вологда) в масштабе 1 : 1 ООО ООО. ВСЕГИНГБО. 1951.

54. Соломин Г.А., Крайнов С.Р., Щелочные составляющие прирдных и сточных щелочных вод, геохимические процессы их нейтрализации кислыми и околонейтральными подземными водами//Геохимия. 1998 .№2.

55. Тарат Э.А., Мухленов И.П., Туболкин А. Ф. и др. //Химическая промышленность. 1980. №9.

56. Тютюнова Ф. М. Гидрогеохимия техногенеза. М.: Наука. 1987.

57. Фаркаш А. Физическая химия углеводов (перевод с английского) под ред. Тиличева М. Д. М.: Гостехиздат. 1957.

58. Хавин Е. И., Николаев Ю. В. Отчет о комплексной геолого гидрогеологической съемке масштаба 1 : 200 ООО, проведенной на территории Монголо - Шекснинского участка Рыбинского водохранилища (Вологодская область). Череповецка ГСП 1959 - 1961

59. Хомяков А.П. Минералогия ультраагпаитовых щелочных пород. М.: Наука. 1990.

60. Шимдт Ю. П. Окись углерода ее значение и применение в технической химии. М.: ОНТИ. Гл. Редакция химической лит-ры. 1936.

61. Johnson J.W., Oelkers E.N., Helgeson H.C.SUPCRT92: A software package for calculating the standart molal thermodinamic properties of minerals, gases, aquerous species,and reactions from 1 to 5000 bars and 0 to 1000 C. Comp.Geosci., 1992. v. 18.

62. Hogfeltd E. Stability constans of metal-ion complexses. Part A: Inorganic ligands / /IUPAC Ehem. Data Series. 1982. V. 21.

63. Ind. and Environ. 1990. № 2.

64. Hileman B. //Chem. and Eng. News . 1992 . № 17.

65. A.S.Kelebeev, N.N.Akinfiev, V.M.Shvets, Carbon dioxide utilization in aquifer: CO2 interaction with hyperagpatic alkaline rocks.«Fourth International Conference on Carbon Dioxide Utilization»,September 7-11. 1997. Kyoto, Yapan. Abstracts94

66. E.I.Yantovsri ,V.M.Shvets, N.N.Akinfiev, A.S.Kelebeev, V.P.Pimenov Fuel fired power plant with the seqestering of liqud carbon dioxide in a deep aquifer , Proceedings conference ECOS' 95. july 11-14. 1995. Istambul-Turkiye.