Техногенез затопленных рудников Урала

Елохина, Светлана Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Техногенез затопленных рудников Урала
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Техногенез затопленных рудников Урала"

На правах рукописи

/ ^

Елохина Светлана Николаевна

ТЕХНОГЕНЕЗ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

005548724

Екатеринбург - 2014

г г пап гон

005548724

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный консультант - Грязное Олег Николаевич,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Официальные оппоненты: Шварцев Степан Львович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Института нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука СО РАН (Томский филиал), главный научный сотрудник

Катаев Валерий Николаевич,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», проректор по научной работе и инновациям

Хаустов Александр Петрович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», профессор кафедры прикладной экологии

Ведущая организация - Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Защита состоится «30» июня 2014 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (3-й учебный корпус, конференц-зал, ауд. 3326).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте (www.ursmu.ru) ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан «30» апреля 2014 г. Ученый секретарь / и - j

диссертационного совета /^'/iii^/i^vW Макаров Анатолий Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Уральский складчатый пояс относится к старейшим горнодобывающим регионам не только России, но и мира, являясь одним из центров горно-металлургического производства с эпохи раннего металла (Горная энциклопедия..., 1989). Остановка и закрытие любого горного предприятия является неизбежным историческим фактом, после которого возникает необходимость рекультивации и реабилитации нарушенных земель, гидросферы и массива горных пород. За продолжительную историю освоения уральских рудных месторождений, по данным Л.Н. Овчинникова (1998), отработано более 200 объектов. В результате горными работами нарушены участки недр разной площади от первых до сотен квадратных километров часто с крайне низким уровнем рекультивации. Ведущим способом последнего, как показали работы Уральской комплексной геолого-съемочной экспедиции (П.А. Матвейчук, В.А. Вахрушев, 1976), реализована «мокрая» консервация или ликвидация (МЛ) рудников.

Для характеристики техногенных геохимических ландшафтов, возникших в результате горного производства, А.Е. Ферсманом предложен термин «техноге-нез», впоследствии получивший широкое применение и развитие.

' Массовая остановка и закрытие рудников на Урале, как и в других горнодобывающих регионах России и СНГ, произошли в последней четверти XX и начале XXI в В первую очередь закрывались старые горнодобывающие предприятия на территории Среднего Урала, с длительной историей горнодобычных работ. Отличительной особенностью остановленных горных объектов указанного периода является масштаб горного техногенеза: большие глубины и огромные подработанные площади, часто сопряженные с селитебными зонами. На Урале это города Верхняя Пышма, Деггярск, Кировград, Краснотурьинск, Красноуральск, Копейск, Нижний Тагил, Полевской и др. В результате проявления негативных геологических процессов на указанных территориях, особенно при наличии старых неглу-бокозалегающих подземных горных выработок, спровоцирована крайне напряженная экологическая, а иногда и социальная ситуация, что определяет актуальность поставленной тематики работ.

В этот период геоэкологическими исследованиями на горных объектах Урала в связи с прогнозом их МЛ и после занимались И.В. Абатурова, Р.Ф. Абдрах-манов, А.А. Арзамасцев, Л.И. Афанасиади, Г.Н. Беляев, С.М. Блинов, А.И. Вишняк А Я. Гаев, О.Н. Грязное, О.М. Гуман, С.Г. Дубейковский, С.Н. Елохина А.И. Заболоцкий, О.В. Зотеев, К.К. Имайкин, А.К. Имайкин, В.Н. Катаев, А.И. Макаров В .П. Новиков, С.В. Палкин, В.Г. Попов, С.С. Потапов, Ю.С. Рыбаков, Л.С. Рыбникова, Н.В. Савеня, А.И. Семячков, Л.С. Табаксблат, И.А. Четверкин и др. В результате накоплен достаточный объем эмпирического материала, который мотивировал автора к его обобщению и анализу (2001, 2004, 2007 и др.).

Общенаучная значимость выполненных исследований обусловлена разработкой научно-методических основ оценки и прогнозирования опасных природ-но-техногенных геологических процессов при «мокрой» ликвидации (консервации) остановленных рудников в условиях Уральского складчатого пояса в зависимости от техногенного преобразования гидрогеологических структур и систем.

Установленные особенности техногенного преобразования подземной гидросферы позволяют решать ряд важных прикладных задач, таких как прогноз гидрогеоэкологических последствий остановки и МЛ подземных рудников на Урале, зонирование техноприродных геологических опасностей на подработанном пространстве; планирование рационального использования, рекультивации и мониторинга нарушенных земель и искусственных подземных пространств и т.д.

Основная идея работы — на пассивной стадии горнорудного техногенеза формируется комплекс опасных природно-техногенных геологических процессов, генетически связанных с природно-техногенными подземными водоносными системами затопленных рудников Урала, характеризующихся специфической гидродинамической и геохимической обстановкой, особенно при нестационарном режиме их функционирования.

Объектом исследований являются природно-техногенные гидрогеологические структуры и подземные водоносные системы горнорудного профиля в условиях Уральского складчатого пояса.

Предмет исследования: состояние изученности техногенеза на территории затопленных рудников; геологические процессы на территории затопленных рудников Урала; гидрогеологические и гидрогеохимические аспекты техногенеза горнорудного профиля; техноприродные геологические опасности на территории остановленных рудников Урала, их рекультивация и мониторинг.

Цель исследований - выявление закономерностей трансформации подземных водоносных систем, формирование природно-техногенных геологических процессов на постэксплуатационной стадии горнорудного техногенеза и разработка научно-методических основ их гидрогеоэкологической оценки и прогноза на Урале.

Основные задачи исследований:

- обоснование комплекса природно-техногенных геологических процессов пассивной стадии горнорудного техногенеза для условий Уральского складчатого пояса;

- разработка научно-методических основ выделения природно-техногенных гидрогеологических структур и подземных водоносных систем;

- теоретическое, экспериментальное и опытное исследования гидродинамических и гидрогеохимических условий на пассивной стадии горнорудного техногенеза на территории Урала;

- исследование связи техноприродных геологических опасностей от природно-техногенных подземных водоносных систем горнорудного профиля для условий Уральского складчатого пояса;

- систематизация направлений реабилитации и рекультивации подработанных территорий;

- разработка основных подходов к обоснованию системы мониторинга состояния недр на территории затопленных рудников Урала.

Фактическим материалом для диссертационной работы послужили результаты работ различной направленности, выполненные автором в Уральской гидрогеологической экспедиции за период с 1986 по 2013 гг., а также научно-исследовательской деятельности в Уральском государственном горном универси-

тете в 1998 - 2013 гг. В течение этого времени автором обследованы территории большинства рудников Урала как на стадии их работы, так и после её завершения. В результате подготовлены: экспертные заключения на MJI Березовского, Дегтяр-ского, Гумешевского и Крылатовского подземных рудников, выполнены циклы мониторинговых наблюдений на них; проекты мониторинга состояния подземных вод на территории Пышминско-Юпочевского медно-кобальтового месторождения (г. Верхняя Пышма) и др.; отчет по результатам геоэкологического мониторинга Уральского полигона аэрокосмического мониторинга, включая г. Нижний Тагил (рудники Высокогорский, Естюнинский, Лебяжинский, III Интернационала и др.), г. Кушву (Гороблагодатский и Валуевский рудники) и др. объекты; отчеты по оценке запасов подземных вод ряда месторождений пресных подземных вод (МППВ), в том числе Ежовского, находящегося в зоне влияния Ломовского и Но-во-Ежовского затопленных рудников, Богомоловского МППВ, приуроченного к шахтному полю одноименного затопленного рудника и др.; отчет по обобщению опыта ликвидации (консервации) горных выработок и их влияния на подтопление застроенных территорий Свердловской области; мелкомасштабные карты экзогенных геологических процессов и подверженности населенных пунктов Уральского региона опасным инженерно-геологическим процессам в составе всероссийского картографирования и целый ряд других работ.

Методы исследований. В процессе выполнения исследований применялись: гидрогеологические, инженерно-геологические, ландшафтно-геохимические съемки различных масштабов (от детальных до мелкомасштабных), комплекс стандартных полевых методов исследования (бурение, опытные откачки, каротажные исследования, геохимическое опробование дренажных, рудничных, подземных и поверхностных вод, донных отложений и др., гидрометрические работы, химико-аналитические исследования в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, морфометрический метод реконструкции зеркала подземных вод и др.); теоретическое обобщение собственных материалов, а также опубликованных и фондовых данных; методы гидродинамического и термодинамического моделирования с использованием ГИС-технологий и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны научно-методические основы выделения пассивной стадии техно-генеза горнорудного профиля на постэксплуатационном этапе освоения месторождения, описываемые эвристической моделью развития геосреды в условиях тех-ногенеза.

2. Предложена понятийная база для характеристики постэксплуатационной стадии техногенеза: уточнено понятие «техногенного водоносного горизонта» и предложена типизация объектов; обосновано выделение «природно-техногенной гидрогеологической структуры» (ПТ ГГС); конкретизированы её отличия от «природно-техногенной подземной водоносной системы» (ПТ ПВС).

3. Обоснован комплекс природно-техногенных геологических процессов пассивной стадии техногенеза для условий Уральского складчатого пояса.

4. Доказана эволюция ГТС и ПВС на разных этапах горнорудного техногенеза.

5. Доказано, что ПТ ГТС затопленных рудников Урала своей гиперпроницаемостью нарушают природную вертикальную гидродинамическую зональность и

создают в разрезе специфические по гидрогеохимическому и геотемпературному признакам зоны.

6. Описаны внутренние и внешние источники гидрохимической нестабильности ПТ ПВС на Урале.

7. Предложена геохимическая модель формирования рудничных вод при затоплении колчеданных рудников Урала.

8. Классифицированы и описаны техноприродные геологические опасности (ТПГО) в границах ПТ ПВС на Урале.

9. Разработана типизация затопленных рудников Урала по степени сложности гидрогеологических условий для обоснования их ТПГО и класса их мониторинга.

Практическая значимость работы

1. Разработаны основы комплексного прогноза техногенеза при мокрой ликвидации рудников Урала.

2. Предложены критерии оценки необратимости техногенного преобразования гидрогеологических условий.

3. Выявленные особенности ПТ ГГС и ПВС горнорудного профиля могут быть использованы для комплексной их оценки, изучения и прогнозирования на Урале.

4. Установленные закономерности процесса затопления подземных рудников и формирования излива рудничных вод на территории Уральского складчатого пояса являются основой экспертных многоцелевых прогнозов к проектам ликвидации, консервации, рекультивации и реабилитации нарушенных территорий.

5. Предложена методика зонирования и сравнительной балльной оценки ТПГО территорий затопленных рудников.

6. Конкретизированы требования к системе мониторинга затопленных рудников в зависимости от сложности гидрогеологических условий и методика его реализации на конкретных объектах Урала.

Реализация результатов исследований

1. Выявленные закономерности развития техногенеза пассивной стадии использованы при подготовке официальных экспертных заключений прогноза гидрогеологических и геоэкологических последствий затопления Гумешевского, Дегтярско-го, Березовского и Крылатовского рудников. Последующие наблюдения подтвердили принципиальную правильность спрогнозированных гидрогеоэкологических сценариев затопления. На Крылатовском руднике в 2011 г. успешно реализована предложенная схема защиты жилого поселка от подтопления.

2. Автором разработаны проекты мониторинга подземных вод на ряде локальных горнорудных объектов (Гумешевском, Пышминско-Ключевском, Сибайском, Ка-рагайском, Богомоловском рудниках, Призаводском карьере Режевского никелевого завода и др.), Режевском природно-минералогическом заказнике и др. участках ведения государственного мониторинга состояния недр, в большей своей части прошедшие геологическую экспертизу и реализованные на практике.

3. Разработанные методические подходы и научные положения использованы для оценки запасов МППВ в пределах затопленных рудников (Богомоловский), а также на других нарушенных, в том числе водоотбором, участках (Ежовское, Мазу-линское, Верхне-Чусовское, Верхне-Бобровское и другие МППВ).

4. Предложения по выделению МППВ в границах затопленных шахтных полей

использованы во «Всероссийском классификаторе месторождений для целей государственного мониторинга состояния недр» (ФГУГП «Гидроспецгеолошя», 2007).

5. Анализ состояния подземных вод на участках активного и пассивного горнорудного техногенеза использован при подготовке ежегодных Информационных бюллетеней о состоянии недр на территории Свердловской области и Уральского федерального округа за 2008-2012 гг.

Основные защищаемые положения:

1. На постэксплуатационном этапе освоения месторождения при «мокрой» ликвидации (консервации) подземных рудников Урала формируется особый тип техногенеза горнорудного профиля пассивной стадии со свойственным ему комплексом природно-техногенных геологических процессов, усложняющимся на каждом горнорудном цикле в зависимости от реализованных технических мероприятии.

2. Техногенное воздействие на гидрогеологические объекты по своему характеру может носить обратимый или необратимый характер, если после завершения активной стадии воздействия подземная водоносная система не возвращается в свое исходное (природное) состояние. В последнем случае основным гидрогеологическим результатом техногенного воздействия является природно-техногенная гидрогеологическая структура, генетически связанная с природно-техногеннои подземной водоносной системой.

3. Формирование природно-техногенной подземной водоносной системы сопровождается периодами гидродинамической и гидрогеохимической нестабильности. Продолжительность первого на Урале определяется условиями притока природных вод на границах системы затоплением двух гидродинамических зон: выше и ниже местного базиса дренирования; второго - обусловлена ведущими геохимическими процессами, изменяющимися в зависимости от внутренних и внешних источников взаимодействия «вода-порода». При этом ПТ ПВС нарушают природную гидродинамическую и гидрохимическую зональность, создавая в результате их гиперпроницаемости особый характер водообмена.

4. Горнорудный техногенез создает комплекс техноприродных геологических опасностей (ТПГО), зависящих от сложности природно-техногенных гидрогеологических условий. Оценка территорий по степени опасности включает выделение внутренней, внешней и замыкающей зон, проведение гидродинамического, вод-нобалансового и гидрохимического прогнозов на основе комплексного мониторинга, дифференцированного по зонам ТПГО, и разработку реабилитационных мероприятий.

Апробация работы. Основные результаты научных исследовании по теме диссертации докладывались и обсуждались на 38 международных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях и симпозиумах. Основные из них: Всероссийский съезд геологов и научно-практическая конференция «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI века (Санкт-Петербург, 2000 г.), международный симпозиум «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001 г.), международная научно-практическая конференция «Техногенная трансформация геологической среды» (Екатеринбург, 2002 г.), Всероссийские конференции

«Риск-2003», «Риск-2006», «Риск-2009» (г. Москва), годичные сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002, 2004, 2005, 2007, 2009, 2012, 2013 гг.), международный симпозиум «Карстоведение - XXI век: теоретическое и практическое значение» (Пермь, 2004 г.), конференция «Развитие научных идей А.М. Овчинникова в гидрогеологии» (Москва, 2005 г.), Intemation symposium on «Latest natural disasters-new challenges for engineering geology, geotechnics and civic protection" (София, Болгария, 2005 г.), XVIII и XIX Совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2006 г., Тюмень, 2009 г.), международный симпозиум «Будущее гидрогеологии: Современные тенденции и перспективы» (Санкт-Петербург, 2007 г.), Российская научная конференция «Гидрохимия осадочных бассейнов» (Томск, 2007 г.), 1-й Уральский международный экологический конгресс «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007 г.), Международная научно-практическая конференция «Подземные воды — стратегический ресурс устойчивого развития Казахстана» (Алматы, 2008 г.), Всероссийская конференция с участием международных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012 г.), Международный конгресс «Water Rock Interaction [WRI 14]» (Авиньон, Франция, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, основные из них следующие: 2 монографии, 17 статей (из них 15 - в рецензируемых научных журналах), 17 — докладов в материалах конференций.

Личный вклад автора. Диссертант лично разрабатывала общую методику работ, участвовала в полевых работах, обработке полученных материалов комплексом методов для оценки техногенеза пассивной стадии на горнорудных объектах Урала, формулировала научно-методические и защищаемые положения диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 286 наименований. Работа изложена на 352 страницах текста, содержит 79 рисунков и 31 таблицу.

Во введении показана актуальность исследований, цели и задачи работы, её научная новизна и практическая значимость. В первой главе «Состояние изученности техногенеза затопленных рудников Урала» продемонстрировано, что содержание понятия «техногенез» активно развивалось, в том числе применительно к подземным водам, в первую очередь в работах Н.И. Плотникова (1989). Последним как один из видов выделен техногенез горнорудной промышленности. Применительно к условиям Урала техногенез колчеданных месторождений активно изучался Э.Ф. Емлиным, выделившим две стадии: прогрессивную и регрессивную (1991). Первая соответствует условиям отработки месторождения, вторая - постэксплуатационной стадии. При этом геологические процессы регрессивной стадии техногенеза практически остались за рамками научного обобщения как убывающие. На мировом, общероссийском и уральском опыте описано массовое закрытие угольных шахт и рудников в Польше, Донбассе, Кузбассе, на Урале, Дальнем Востоке, что предоставило на рубеже XX и XXI в. большой объем эмпирических данных по гидрогеоэкологическим последствиям затопления подземных

пространств на шахтных полях. Кратко изложены результаты их изучения, показывающие специфику техногенеза постэксплуатационного периода. Рассмотрен техногенез подземной гидросферы, включая взаимосвязанные понятия «подземная водоносная система» и «гидрогеологическая структура» (природная, техногенная и природно-техногенная), виды техногенного воздействия на подземные воды. Во второй главе «Природные условия Уральского складчатого пояса и объектов горнорудного техногенеза» приведены материалы по физико-географическим, геоморфологическим, гидрогеологическим и инженерно-геологическим условиям, геологическому строению и металлогении Урала, а также наиболее значимых для последующего рассмотрения горнорудных объектов. Обзору эмпирических данных по проявлениям горнорудного техногенеза на постэксплуатационной стадии, систематизации и обоснованию комплекса природно-техногенных геологических процессов на затопленных рудниках Урала, понятию «горнорудный цикл», включающему стадии активного и пассивного техногенеза, посвящена третьи глава «Горнорудный техногенез постэксплуатационной стадии на территории Урала». В четвертой главе «Подземные водоносные системы в условиях техногенеза горнорудного профиля» рассматриваются структурные и гидродинамические предпосылки формирования природно-техногенных гидрогеологических структур и подземных водоносных систем как комплексного проявления техногенеза пассивной стадии, в том числе типизация техногенных водоносных горизонтов - элементарных структурных элементов подземной водоносной системы, являющихся объективным признаком необратимости техногенных воздействий; самозатопление подземных рудников Урала с формированием самопроизвольного и искусственного излива рудничных вод на поверхность земли; обосновываются различия между природно-техногенными, природными и техногенными подземными водоносными системами на примере Дегтярского объекта. В пятой главе «Гидрохимические аспекты пассивной стадии горнорудного техногенеза на Урале» приводятся эмпирические данные по химическому составу рудничных вод, обосновывающие гидрохимическую модель их формирования для колчеданных рудников Урала с чередованием ведущих геохимических процессов, имеющую прогнозный потенциал. Описывается влияние внешних факторов на химический облик рудничных вод, таких как коммунальное загрязнение от селитебной застройки, растворение и выщелачивание токсичных элементов из складированных в техногенные полости твердых токсичных отходов химического производства. Гидродинамические свойства ПТ ГТС, связанные с их гиперпроницаемостью, нарушают природную вертикальную гидрохимическую зональность разреза и геотемпературное поле, проявившиеся в разрезе Крылатовского затопленного рудника, а также на изливе рудничных вод на разных отметках их дренирования в пределах Карпушихинского медно-цинкового рудного поля. Глава шестая «Техноприродные геологические опасности на территории затопленных рудников Урала, их прогнозирование и мониторинг» создает представление о 11110 затопленных рудников Урала, проявляющихся как посредством опасных геологических процессов пассивной стадии горнорудного техногенеза, так и совокупно через природно-техногенное состояние подземной гидросферы. Учитывая синер-гетичность протекания опасных процессов, вызванных, в первую очередь, пре-

дельным положением восстановленного уровня подземных вод на затопленных рудниках, Till'О объединены в четыре группы. Оценку и прогнозирование ТПГО предлагается выполнять зонированием территории в зависимости от вероятности проявления различных видов опасностей и характера природно-техногенных гидрогеологических условий. Разработаны принципы оценки сложности последних с учетом их отличия от природных по условиям питания, разгрузки и гидрохимической обстановки. Рассмотрены методики предварительных гидродинамического, воднобалансового и гидрохимического прогнозов. Согласно «Требованиям к мониторингу...» (ГИДЭК, 2000), обоснован выбор класса мониторинга в различных зонах ТПГО и при различных по сложности гидрогеологических условиях. Представлены основные, реализованные на Урале направления рекультивации территории затопленных рудников. В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному консультанту заслуженному деятелю науки РФ, доктору геолого-минералогических наук, профессору О.Н. Грязнову за консультации и помощь; искренне благодарит заведующего лабораторией Института геохимии и аналитической химии РАН профессора Б.Н. Рыженко за тесное сотрудничество при выполнении термодинамических исследований, ведущего специалиста ФГУ «ТФИ по Свердловской области» кандидата геолого-минералогических наук В.П. Новикова за обсуждение результатов работ и ценные советы, директора ООО «ММПИ» И.А. Четверкина и главного гидрогеолога этой же организации кандидата геолого-минералогических наук А.И. Вишняка за предоставленные фактические данные и критические замечания, генерального директора ОАО «Уральская гидрогеологическая экспедиция» A.A. Арзамасцева за всестороннюю помощь при подготовке диссертации. Автор выражает глубокую благодарность всем своим коллегам в Уральской гидрогеологической экспедиции, преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета за помощь и обсуждение содержания и результатов работы. Особую признательность за постоянную поддержку и помощь автор выражает доктору геолого-минералогических наук В.А. Елохину.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Содержание техногенеза горнорудного профиля разработано и наполнено Н.И. Плотниковым (1989) как комплекс техногенных геологических процессов, возникших в результате реализации технических мероприятий по вскрытию и освоению рудных месторождений. Завершение эксплуатации (следовательно, прекращение специальных технических мероприятий) остановкой рудника и затоплением горных выработок принималось как прекращение горнорудного техно-

гснеза с постепенным восстановлением природной геологической (в первую очередь, гидрогеологической) обстановки.

В исторической ретроспективе затопление и ликвидация рудников происходило многократно на всех континентах. По данным Горной энциклопедии (19841991 гг.), в Европе, Азии, Африке и Америке имеются десятки примеров отработанных, остановленных и затопленных рудников. Глубина их воздействия достигает 1-3 км, а суммарная площадь нарушенных горнотехнической деятельностью земель - более 15-20 млн. га, из которых 59 % - это различные горные выработки, 38 % - отвалы, 3 % - места оседания, провалы и другие нарушенные земли.

На территории Урала затоплены горные выработки на десятках остановленных рудников (рисунок 1). Уральский складчатый пояс является четко выраженной региональной линейной системой глубинного заложения. Интрузивные образования всех типов и их ассоциации сильно осложняют строение Урала во всех его зонах и, в особенности, в эвгсосинкланальных зонах уралид. В строении открытой части Урала выделяют (Соболев И. Д. и др., 1986): Западно-Уральскую зону внешней складчатости, Центрально-Уральское поднятие, Тагильско-Магнитогорский прогиб, Восточно-Уральский пояс поднятий и сопряженных прогибов. Геологическое районирование в основном соответствует геоморфологическому. Урал характеризуется сложным блоковым строением, которое подчеркивается наличием многочисленных разломов диагональных и ортогональных систем, различающихся порядком, возрастом заложения и подновления. Между Главным Уральским глубинным и Челябинским разломами выделяется Центральная область с характерным развитием ранне- и срсднспалсозойских вулканических образований, с которой территориально связаны основные рудные месторождения Урала (Золоев К.К. и др., 1990, 1996). Типичными для Урала являются медно-цинковые месторождения колчеданного семейства. Многие уральские города, такие как Верхняя Пышма, Красноуральск, Кировград, Дсгтярск, Карабаш, Учалы, Сибай, Гай, возникли в связи с освоением этих месторождений, многие из которых на сегодняшний день отработаны.

Например, на территории Свердловской области из 40 месторождений, которые разрабатывались в 70-х годах XX века, сейчас более 60 % находятся либо на временной консервации, либо на стадии полной ликвидации. Среди «защитных» мероприятий на территории Урала преобладает экономически обоснованный «уход» антропогенной активности с нарушенной горными работами территории, обычно малопригодной или непригодной для постоянного проживания без проведения дорогостоящих мероприятий по рекультивации. Такой подход оправдывал себя до тех пор, пока в зонах подработки в результате урбанизации не оказались города, поселки и другие объекты (питьевые водозаборы, водохранилища и др.), тысячи человек в Кузбассе, Донбассе, на Урале, Дальнем Востоке и т.д., переселить которые затруднительно или не представляется возможным. Поэтому при закрытии рудника (шахты) приходилось срочно бороться с последствиями затопления, иногда недостаточно учтенными в Проектах ликвидации горных объектов (Кочетков М.В., Кашковский Г.Н. и др., 2001).

Воркута Ш 4

"вдель\

Кк";).1|Срии'5ур|

[еляоинс]

ОГОРС1

Масштаб

Рисунок 1 - Схематическая карта размещения месторождений полезных ископаемых на Урале (по Прокину, с добавлениями автора) (Прокин, 2002; Елохина, 2007):

1 — 4 - границы: / - Российской Федерации. 2 -геологических мегазон: I -Русская платформа. II -Прсдуральская, III - Центрально-Уральская. IV -Тагило-Магнитогорская. V - Восточно-Уральская; 3 - Уральской равнинно-горной страны, 4 - областей и республик; 5 - 21 — месторождения и их номера (согласно списку*): 5

- железорудные. 6 - хро-митовыс. 7 - марганцевые, 8 - медные и медно-цинковые, 9 - евинцово-цинковые. 10 - никелевые. 11 - алюминиевые (бокситовые). 12 - золоторудные. 13 - редкоме-талльные. 14 - баритовые,

15 - хризотил-асбестовые,

16 - титано- магнети говые и магнетитовыс. 17 -фосфоритовые, 18 - солей. 19 - цветных камней. 20 — ископаемых углей. 21

- нефти: 22 - месторождения с подземными горными выработками, 23 -месторождения с затопленными (полностью или частично) подземными горными выработками. 24

- поверхность воды

'' 1 - Нижнеталотинское, 2 - Саурейское , 3 - Тай-Кеу, 4 - Хальмер-Ю, 5 - Воркутин-ская группа, 6 - Верхнеелецкое, 7 - Райизское, 8 - Хойлинское, 9 - Интинское, 10 -Парнокское, 11-Дальнее, 12 - Кожимское, 13 - Устьманьинское, 14-Второе Северное, 15 - Верхнепечорское, 16 - Первое Северное, 17 - Третье Северное, 18 - Полуночное, 19 - Ново-Шемурское, 20 - СУБР (Красная Шапочка, Кальинское, Черемуховское), 21 -Покровское, 22 - Соликамское, 23 - Кизеловская группа, 24 - Турьинская группа, 25 -Песчанское (Северо-Песчанское), 26 - Волчанское, 27 - Богословское, 28 - Веселовское, 29 - Ауэрбаховское, 30 - Воронцовское золоторудное, 31 - Воронцовское железорудное, 32 - Серовское меднорудное, 33 - Серовское железорудное, 34 - Гусевогорское, 35 -Саратовское, 36 - Гороблагодатское, 37 - Валуевское, 38 - Осокино-Александровское, 39 - Кабанское, 40 - Красногвардейское, 41 - Ново-Левинское, 42 - Чернушенское, 43 -Богомоловское, 44 - Волковское, 45 - Высокогорское и Есттонинское, 46 - Лебяжин-ское, 47 - Им. III Интернационала, 48 - Левихинское, 49 - Карпушихинское, 50 - Ло-мовс'кое, 51 - Ежовское (Ново-Ежовское), 52 - Липовское, 53 - Сафьяновское, 54 - Ма-лышевское, 55 - Мурзинская группа, 56 - Буланашское, 57 - Алапаевское, 58 - Баже-новское, 59 - Березовское, 60 - Шульгинское, 61 - Пышминско-Ключевское, 62 - Дегтяреве, 63 - Гумешевское, 64 - Зюзельское, 65 - Крылатовское, 66 - Первоуральское, 67 - Уфалейское, 68 - Юго-Коневское, 69 - Золотая гора, 70 - Вишневогорское, 71 - Ка-рабашское, 72 - Кусинское, 73 - Медведевское, 74 - Южно-Уральский бокситовый район (Блиново-Каменское и др.), 75 - Ильменогорское, 76 - Челябинский угольный бассейн, 77 - Бакальское, 78 - Саткинское, 79 - Тунгатаровское, 80 - Муртыкты, 81 -Верх'не-Аршинское, 82 - Учалинское 83 - Кочкарское, 84 - Астафьевское, 85 - Магнитогорское, 86 - Ярбишкадакское, 87 - Селеукское, 88 - Кужинское, 89 - Сибайское, 90 -Файзуллинское, 91 - Подольское, 92 - Калиновское, 93 - Гайское, 94 - Блявинское, 95 -Ново-Киевское, 96 - Бурибайское, 97 - Молодежное, 98 - Орское (гора Полковник), 99 -Донская группа, 100 - Восток, 101 - Киембаевское, 102 - Южно-Уральский угольный бассейн, 103 - Алешинское, 104-Качарское, 105 - Соколовское, 106 - Лисаковское, 107 - Джетыгаринское_______

Из общего обзора изученности следует, что при таком масштабе и длительности постэксплуатационной стадии геоэкологические последствия, в сравнении с периодом эксплуатации, изучены явно недостаточно.

Известна позиция, в которой постэксплуатационный период после остановки горнодобывающего предприятия соотносится с особым видом техногенеза (Емлин Э.Ф., 1991). При этом выделяется три основные стадии освоения месторождений: предтехногенная, на которой любые техногенные нарушения носят обратимый характер; эксплуатационная, квалифицируется как прогрессивная стадия техногенеза, когда при вскрытии и освоении месторождения комбинированным, подземным или открытым способом дренажные мероприятия создают техногенную зону аэрации и нарушаются гидродинамическое, reo- и гидрохимическое равновесия, а перемещение массы горных пород изменяет геодинамическое состояние массива и геофизические поля (гравитационные, тепловые и пр.); постэксплуатационная с регрессивной стадией техногенеза, когда происходит восстановление нарушенных условий с расходованием накопленной человеком при отработке месторождения энергии (выравнивание рельефа гравитационными процессами, восстановление центробежного режима геофильтрации и прочее).

В принципе автор солидарен с подобной оценкой роли техногенеза на постэксплуатационной стадии, но с достаточно веским уточнением: полная регрессия геосистемы в исходное состояние в обозримом будущем невозможна в силу её необратимой нарушенное™. Как показал обзор данных из открытых и фондовых источников, а также личные эмпирические материалы автора, на таких участках формируются уже другие гидрогеологические и инженерно-геологические условия и, конечно, другие ландшафты. Технические мероприятия постэксплуатационной стадии направлены на рекультивацию земель и обеспечение безопасности оставленных технических объектов, часто реализованы не в полном объеме и очевидно не возвращают затронутую прогрессивным техногенезом природную систему в начальное состояние.

В результате усиления водообмена в затопленной техногенной зоне аэрации, соединенной с обводненными техногенными полостями, происходит более активное проникновение атмогенных факторов и агентов в массив горных пород и связанное с этим реформирование природных условий в природно-техногенные (Норватов Ю.А., Петрова И.Б. и др. 2002; Людвиг В.М., 2003; Елохина С.Н., 2007 и др.). Известно, что в значительной степени эволюция геосистемы, вытекающая из её самоорганизации (Николис Г., Пригожин И., 1979; Емлин Э.Ф., 1991), определяется отношением «вода-порода» (Шварцев С.Л., 2005, 2008, 2012). При его изменении во вновь сформированных природно-техногенных гидрогеологических условиях нарушается вектор эволюции измененного горнодобычными работами участка геологической среды (рисунок 2).

Учитывая вышеизложенное, техногенез (комплекс геологических процессов техногенного генезиса, по Н.И. Плотникову) по характеру воздействия для практических целей целесообразно разделять не только с термодинамических (как предложено Э.Ф. Емлиным), но и с генетических позиций на активный (эксплуатационная стадия горного производства) и пассивный (постэксплуатационная стадия в отсутствие активных технических мероприятий). При этом комплекс геологических процессов на пассивной стадии горнорудного техногенеза носит унаследованный характер от техногенных мероприятий и процессов активной стадии. Детальное исследование проявлений горнорудного техногенеза пассивной стадии на Урале выполнено для условий Дегтярского медноколчеданного, Гуме-шевского медноскарного и Крылатовского золоторудного месторождений. В большей своей части выявленные и описанные геологические процессы (таблица 1) аналогичны данным по затопленным шахтам Кизеловского угольного бассейна, Донбасса, Кузбасса, Приморья, медных рудников Польши и Сихотэ-Алиня и др. (B.C. Аржанова, С.М. Блинов, П.В. Елпатьевский, A.M. Ефимов, К.К. Имайкин,

B.М. Людвиг, Г.Н. Кашковский, J. Fiszer, J. Czmiel и др.).

Следует обратить внимание, что один природно-техногенный процесс может проявляться изменением целого ряда свойств окружающей среды (Елохина

C.Н., 2013). Например, подъем уровня подземных вод при самозатоплении шахтных полей вызывает формирование специфической структуры общего водного баланса территории; изменение границ местных подземных бассейнов стока («техногенная» переброска подземного стока); вытеснение рудничных газов в цо-

кольные этажи зданий и заглубления; подтопление и заболачивание территории; загрязнение подземных вод, в том числе на водозаборах и др.

Рисунок 2 - Концептуальная (эвристическая) модель горнорудного техногенеза

Таблица 1 - Техногенные и природно-техногенные процессы горнорудного техногенеза

Техногенные процессы активной стадии (Э.Ф. Емлин, 1991) Природно-техногенные процессы пассивной стадии (С.Н. Елохина, 2013)

1 2

Осушение водоносных пород надруд-ной и рудовмещающей толщ дренажными мероприятиями Подъем уровня подземных вод после остановки водоотлива в границах депресси-онной воронки, самозатопление шахтных полей Излив шахтных вод на поверхность земли Изменение структуры фильтрационного потока и общего водног о баланса Подтопление, заболачивание Сохранение водоотлива полностью или частично

Вторичная консолидация рыхлых пород при снижении пластового давления Разжижение и снижение прочностных свойств горных пород при их вторичном замачивании

Депрессионное уплотнение песчано-глинистых пород при снижении пластового давления То же

Продолжение таблицы 1

1 2

Сдвижение в массиве горных пород в зоне влияния горных выработок Гравитационные процессы на подработанной территории, в том числе в зоне сдвижения

Суффозионные и суффозионно-карстовые процессы, формирующиеся при осушении водоносных карбонатных пород Суффозионные и суффозионно-карстовые процессы, формирующиеся в зоне сезонного колебания уровня подземных вод, в первую очередь над подземными горными выработками

Внезапный прорыв рудничных вод, формирующийся под влиянием остаточного гидростатического напора Внезапный прорыв рудничных вод из старых затопленных выработок в новые и работающие выработки

Оползневые процессы при открытой разработке месторождений, формирующиеся при слабоосушенных песча-но-глинистых породах Оползневые и осыпные процессы при открытой разработке месторождений, формирующиеся при «мокрой» консервации карьерных выемок

Окисление рудной минерализации и органических веществ в осушенных породах техногенной зоны аэрации Химическое выветривание техногенных литоминеральных образований (отвалов, аэрогенных ореолов и др. объектов). Окисление рудной минерализации и органических веществ в осушенных породах техногенной зоны аэрации при неполном восстановлении уровня подземных вод. Растворение вторичных минералообразо-ваний в бывшей техногенной зоне аэрации

Взаимодействие осушительных устройств и водозаборных сооружений предприятия Включение в область питания водозаборных сооружений затопленных шахтных полей

Пучение глинистых пород в подземных горных выработках Водная эрозия стенок подземных горных выработок

Горные удары при освоении месторождений в сложных геолого-структурных условиях Нарушение прочностных свойств и устойчивости подработанных массивов горных пород

Техногенные землетрясения Техногенные землетрясения

Подземные пожары Изменение температурного градиента в массиве горных пород

Формирование техногенных ландшафтов Нерекультивированные техногенные ландшафты или их элементы, составляющие природно-техногенные геологические опасности

Согласно балансовым оценкам, выполненным по затопленному Дегтярско-му руднику (Вишняк А.И., Силина O.A., 2005), объем выноса минеральных ве-

щсств рудничным стоком на пассивной стадии сопоставим с периодом активного тсхногенеза, как и унаслсдованность гидрохимической обстановки.

Восстановление природной гидродинамической обстановки также происходит частично: структура фильтрационного потока возвращает центробежный характер при иных условиях питания, разгрузки и транзита подземных вод (формирование техногенных родников, подтопление и т.п.). В итоге вектор горнорудного тсхногенеза в той или степени всегда отличается от природного.

Исторические события на Урале показывают, что горнодобывающая деятельность на месторождениях или их отдельных участках часто возобновляется с длительными (сотни лет) или короткими (менее 10 лет) перерывами, составляя горнорудные циклы. Каждый включает активную и пассивную стадии тсхногенеза, что выражается на концептуальной модели тсхногенеза (см. рисунок 2). Цикличность горнорудного производства доказывает вскрытие старых затопленных выработок при разведке и освоении Гумсшевского, Березовского, Турьинского и др. рудников. Например, на Гумешсвском руднике автором выделено четыре исторических периода горных работ (горнорудных цикла). На пассивной стадии тсхногенеза каждого цикла отмечены особые горнотехнические и гидрохимические условия, усложняющиеся от цикла к циклу. Увеличивается разнообразие природно-техногенных процессов: вначале горные работы велись выше уровня грунтовых вод, проявления тсхногенеза были минимальными; на втором этапе глубина многочисленных одиночных горных выработок достигала уже десятки метров (20-60 м) и их последующее вскрытие обнаружило не только обогащенные минеральными соединениями рудничные воды, но и полости, заполненные промышленными отходами (фенолами и др.); третий этап довел глубину совмещенной техногенной нарушенности массива горных пород до сотен метров, формирование самопроизвольного выхода рудничных вод на поверхность земли при самозатоплении, что существенно затруднило реализацию подземного выщелачивания меди на четвертом горнорудном цикле.

Унаслсдованность природно-техногенных процессов от активной стадии каждого горнорудного цикла приводит к их последовательному наложению и усугублению тсхногенеза на последующих горнорудных циклах.

2. Техногенное воздействие на гидрогеологические объекты по своему характеру может носить обратимый или необратимый характер, если после завершения активной стадии воздействия подземная водоносная система не возвращается в свое исходное (природное) состояние. В последнем случае основным гидрогеологическим результатом техногенного воздействия является природно-техногенная гидрогеологическая структура, генетически связанная с природно-техногенной подземной водоносной системой (главы 1, 2,

4).

Для характеристики нахождения (и движения) воды в литосфере используются два понятия - подземная водоносная (гидрогеологическая) система и гидрогеологическая структура (В.А. Кирюхин, Е.В. Пиннекер, Н.И. Плотников и др.). Гидрогеологическая структура (ГГС) - это «объект гидрогеологического районирования и гидрогеологической стратификации, под которой понимается соответствующая ей геологическая структура, обладающая общностью условий форми-

рования и распространения подземных вод, что определяет гидрогеологическую индивидуальность этой структуры, и представляющая собой целостную балансовую» гидрогеологическую единицу (ВСЕГИНГЕО, 2002). Любая структура, как из кирпичиков, состоит из гидрогеологических тел (ГТ), основным признаком выделения которых служит проницаемости горных пород (характер и степень). Минимальное количество ГТ выделяется в гидрогеологических массивах, вмещающих безнапорные подземные воды (Кирюхин В.А., 2005), получивших широкое распространение в Западной и Центральной зонах Уральской сложной гидрогеологической складчатой области (ГСО). В их пределах выделяется от двух до четырех стратонов. Верхнюю позицию занимает водоносная зона экзогенной трещинова-тости, нижнюю - водоупорная зона на глубинах от 20-60 до 200-2000 м.

Появление в результате тсхногенсза новых (техногенных) водоносных горизонтов, в том числе при изменении проницаемости природных гидрогеологических тел, закономерно приводит к изменению (полному или частичному) всей гидрогеологической структуры.

Подземная водоносная (гидрогеологическая) система (ПВС) - это «обособленное и содержащее воду геологическое тело, характеризующееся общностью пространственного распределения, перемещения и формирования подземных вод». То есть ПВС может быть принята как гидрогеологическое тело и его внешние связи: водообмен с окружающей средой, с поверхностными водами и между водоносными горизонтами, режим и баланс фильтрационного потока, его питание, транзит и разгрузка и т.п. Следовательно, ПВС является более масштабным понятием, чем ГГС. Сравнивая указанные понятия, их можно представить в виде «матрешки»: ГГС есть совокупность гидрогеологических тел, при этом является неотъемлемым элементом ПВС - её «ядром» (рисунок 3).

Рисунок 3 - Логическая схема взаимосвязи ГГС и ПВС

К техногенным гидрогеологическим системам некоторые авторы относят «блоки подземной гидросферы, в которых интенсивно осуществляется хозяйственная деятельность человека» (Писарский Б.И., 1994). С учетом все возрастающей роли техногенеза тем же автором предложено понятие «природно-техногенных гидрогеологических систем..., во внутреннем и внешнем энергообмене которых участвуют жидкие и твердые продукты жизнедеятельности человеческого общества, резко изменяющие динамику и физико-химическое взаимодей-

ствие ... внутри системы.» В развитии природно-техногенных систем выделено четыре этапа, в том числе третий и четвертый этапы, формирующиеся при необратимых техногенных изменениях. При этом признаки необратимости техногенных изменений в природно-техногенной гидрогеологической системе не обозначены.

Традиционно принято, что техногенное преобразование подземной гидросферы укладываются в два направления (В.М. Гольдберг, В.П. Зверев, Е.В. Пин-некер, А.П. Хаустов и др.). Во-первых, это изменение гидрохимических условий и качества подземных вод, то есть их загрязнение. Во-вторых, изменение гидродинамических условий водоносных горизонтов, сработка уровня подземных вод и истощение их запасов. Первый тип воздействия часто сопоставляется с проникновением (закачкой) техногенных вод в недра Земли, второй - с извлечением (откачкой) подземных вод. Загрязнение и истощение подземных вод, как отмечается в литературных источниках, есть два взаимосвязанных процесса, отражающие наиболее отчетливо глобальные техногенные изменения гидрогеологических условий. Однако в большинстве случаев, при регрессии техногенного воздействия, происходит восстановление природных и потребительских свойств воды, в том числе за счет процессов самоочищения (Тютюнова Ф.И. и др., 1978).

Обеспечить необратимость техногенеза может только техногенное преобразование ГГС появлением новых техногенных геологических тел и связанных с ними техногенных водоносных горизонтов в результате структурного преобразования подземной гидросферы (Елохина С.Н., 2007).

Именно для такой оценки принципиально важно разделять понятия ГГС и ПВС, поскольку трансформация ГГС при появлении новых гидрогеологических тел внутри неё может рассматриваться как признак необратимого изменения всей ПВС и её переход на уровень природно-техногенной ПВС. Изменение только внешних связей ПВС позволяет рассчитывать на обратимость техногенеза.

Техногенные водоносные горизонты (ТВГ), связанные с техногенными или техногенно-измененными литологическими слоями (техногенными геологическими телами), как раз и рассматриваются в качестве нового ГТ, приводящего к необратимому (структурному) изменению ПВС. Применяя генетический принцип, автор выделяет пять типов ТВГ (таблица 2).

Особое место в их числе занимает шахтный тип ТВГ, обусловленный техногенной нарушенностыо водовмещающих пород (подземные техногенные полости, зоны сдвижения горных пород и техногенной трещиноватости). Шахтный тип ТВГ непосредственно связан с пассивной стадией техногенеза горнорудного профиля, хотя и другие типы встречаются практически на территории большинства остановленных и затопленных рудников Урала: нерекультивированные (или частично рекультивированные самозарастанием) отвалы горных пород, шламо-хранилища и шламоотстойники (отвальный тип ТВГ), промплощадки Левихин-ского и Пышминско-Ключевского и др. рудников (промышленный тип), а также территории городов Березовский, Верхняя Пышма и др. (коммунальный тип ТВГ).

Гиперпроницаемостью обладают искусственные подземные каналы в ТВГ шахтного типа. Характер проводимости последних подобен трещинно-жильной

или трещинно-карстовой проницаемости, отличаясь от них только пространственной упорядоченностью. Индикаторными исследованиями установлены скорости подземного потока в одной из затопленных штолен на месторождении флогопита на юго-западном побережье озера Байкал. Они составили 25 м/ч при скорости в зоне тектонического нарушения в массиве карбонатных пород в том же районе 28 м/ч (Пиннекер Е.В., Писарский Б.И., Блохин Ю.И., 1979), что указывает на сходный режим фильтрации. Вероятно, в обоих случаях существуют участки как турбулентного (сифонного), так и ламинарного режима геофильтрации.

Таблица 2 - Типизация техногенных водоносных горизонтов

Тип

номер название

Участки распространения

Основные факторы формирования

Отличие от природных гидрогеологических тел

III

Комму-

Промыш ленный

Территории населенных пунстов

Площадки промышленных предприятий

Насыпные грунты, барражирующий эффект от инженерных сооружений, утечки из подземных коммуникаций

Гидротехнический

Акватория гидротехнических сооружений

Насыпные грунты и подпор со стороны гидротехнического сооружения_

Отвальный

Отвалы, свалки, накопители промышленных и иных отходов

Шахтный

Техногенные грунты и отходы, создающие дополнительные ёмкости для накопления атмосферного питания

Техногенные подземные полости (выработки) различного назначения

Техногенная проницаемость массива

- водовмещающие породы;

- фильтрационные свойства (проницаемость);

- источники и интенсивность питания;

- степень взаимосвязи с поверхностными водами;

- химический состав и температура подземных вод

ТВГ шахтного типа включаются в состав техногенных ГТС. После остановки рудников в совокупности с природными ITC они формируют природно-техногенные гидрогеологические структуры и подземные водоносные системы.

При остановке рудников техногенные режимообразующие факторы воздействия на подземные воды полностью или частично (при сохранении водоотлива в санитарном объеме) ликвидируются на фоне практически полного сохранения техногенных режимообразующих условий - техногенных водоносных горизонтов, что служит основой природно-техногенных ГГС, вписывающихся в природно-техногенные ПВС. Сообразно типу техногенеза природно-техногенные ГТС и ПВС затопленных рудников целесообразно относить к горнорудному профилю.

Эмпирическими доказательствами массового функционирования на терри-

тории Урала ПТ ПВС являются: специфические участки разгрузки (техногенные родники); аномальность химического состава подземных вод в ТВГ; участки со специфическим питанием подземных вод за счет создания новых техногенных водоразделов и большей интенсивности атмосферного питания вплоть до полного поглощения атмосферных осадков (Крылатовский, Богомоловский и др. рудники). Межбасссйновое перераспределение водных ресурсов также способствует увеличению приходной части баланса подземных вод (Пышминский, Березовский и др. рудники).

В целом техногенное преобразование ПВС горнорудной деятельностью составляет цепочку их трех звеньев: исходное состояние - природные ПВС с доминированием природных режимообразующих факторов; стадия активного техногс-неза при доминировании техногенных режимообразующих факторов соответствует техногенной ПВС; пассивная стадия техногенеза - формируются природно-техногенные ПВС, в которых могут доминировать или сосуществовать как природные, так и техногенные режимообразующие факторы. На примере Дегтярского рудника продемонстрированы техногенная эволюция ПВС и принципы выделения природно-тсхногенных ПВС (рисунок 4).

Пространственные границы ПТ ПВС соответствуют области питания и разгрузки ПТ ГГС, включая территорию ТВГ шахтного типа. При размерах местных бассейнов подземного стока от 1-3 до 10 км' крупные шахтные поля и связанные с ними ТВГ шахтного типа могут изменить параметры всего бассейна местного стока (ГГС IV порядка и выше).

3. Формирование природно-техногенной подземной водоносной системы (ПТ ПВС) сопровождается периодами гидродинамической и гидрогеохимической нестабильности. Продолжительность первого на Урале определяется условиями притока природных вод на границах системы затоплением двух гидродинамических зон: выше и ниже местного базиса дренирования; второго - обусловлена ведущими геохимическими процессами, изменяющимися в зависимости от внутренних и внешних источников взаимодействия «вода-порода». При этом ПТ ПВС нарушают природную гидродинамическую и гидрохимическую зональность, создавая в результате их гиперпроницаемости особый характер водообмена (главы 2,4 ,5).

Затоплению (самозатоплснию) подвергаются не только отработанные, но и поставленные на консервацию шахтные поля, предполагаемые к отработке в некоторой перспективе, поэтому подземные воды, прошедшие через затопленные горные выработки, есть не что иное, как воды шахтные или рудничные. Дополнительным аргументом в пользу признания подземных вод в затопленных выработках водами рудничными служит изменение их химического состава, отмеченное многими исследователями (Людвиг В.М., 2003; Елохина С.Н., 2004 и др.).

Процесс заполнения водой подземных горных выработок проходит два хронологических этапа, соответствующих в разрезе последовательному затоплению гидродинамических зон А и Б соответственно ниже и выше местного базиса дренирования.

По аналогии с разделением МППВ выделяются ПТ ПВС с приводораздель-ным и придолинным расположением горных выработок. В первом случае в их об-

воднснии участвуют в основном динамические ресурсы, во втором - существенную роль играет привлечение транзитного поверхностного стока.

1 1

а) — »-

Рисунок 4 - Основные элементы природной, техногенной и природно-техногенной ПВС в зоне Дегтярского горнорудного техногенеза: 1 - ствол шахты; 2 - 4 - контуры: 2 - области питания шахтного водоотлив. 3 - зоны сдвижения горных пород. 4 - депрсссионной воронки от шахтного водоотлива: 5 - область питания карьера шахты "Колчеданная": а) в природных условиях, б) в нарушенных условиях (ПТ ПВС): 6 - линия поверхностного водораздела: 7 - направление движения подземных вод: а) в природных условиях, б) при шахтном водоотливе, в) в ПТ ПВС; 8 - горизонталь рельефа земной поверхности и её значение, м

>*** Г

.. Карьер I шх. Колчеданная

шахп

шх.ч Капитальная 2

Южнар \

'пленный )некий карьер

Отсюда отличаются темпы их самозатоплсния. На приводораздельных объектах заполнение зон А и Б определяется гидродинамическими условиями геофильтрации: убывающий напорный градиент при подъеме восстановленного уровня подземных вод, характер проницаемости массива горных пород, горнотехнические характеристики (Людвиг В.М., 2003; Норватов Ю.А., Петрова И.Б. и др., 1998; Черникова С.А., 2004 и др.). Изменение темпов самозатоплсния, в первую очередь, определяется уменьшающимися градиентами напора (Валуевский рудник). При придолинном расположении различие в заполнении зон А и Б дополнительно определяется измсиснисм балансовых составляющих водопритока. Ниже поверхности дренирования (зона А) самозатопленис происходит за счет всех источников, которые были вовлечены в результате длительных дренажных мероприятий: естественные динамические и привлекаемые ресурсы, в том числе, транзитного поверхностного стока (Дегтярский рудник). Согласно эмпирическим данным скорость самозатопления на начальном этапе составляет 1 и более м/сут. Скорость самозатоплсния зоны А ориентировочно может быть рассчитана по модулю дренажного водоотлива и объема извлеченной горной массы. Предельно низкая скорость подъема в верхней части зоны Б может быть определена из величины модуля подземного стока Г1Т ПВС и не превышает 0,1 м/сут (рисунки 5 и 6).

Формирование шахтоизлива (выход рудничных вод на поверхность земли) происходит после полного восстановления уровня подземных вод в природно-техногенной ПВС. Взаимосвязанная система подземных горных выработок обладает, как уже было отмечено, существенно более высокой, относительно пород естественного сложения, водопроводимостью - гипсрпроводимостью. Подземные горные выработки действуют как саморегулирующийся подземный дренажный узел массива горных пород как в процессе их затопления, так и по достижении максимального заполнения водой всего шахтного поля. Механизм выхода шахтных вод аналогичен формированию родниковой разгрузки. При превышении избыточного напора над отметками поверхности земли, наличии водопроводящих каналов на линии напора происходит выход шахтных вод через вертикальные каналы: шахтный ствол, карьерную выемку, провал, горную скважину (например, лесоспускную) или просто техногенные зоны высокой трещиноватости. На излив будет «работать» вся подземная ёмкость затопленных горных выработок.

Превышения восстановленного уровня над статическим на выходе из зон с техногенной гиперпроницасмостью обеспечивают дополнительные ресурсы подземных вод, которые привлекаются к участку их излива. Это дополнительное питание, поступающее в результате увеличения площади водосбора и более интенсивной инфильтрации атмосферных осадков, иногда, антропогенные ресурсы, попадающие в область питания ПТ ПВС (см. рисунок 4).

Выход рудничных вод может происходить самопроизвольно или организован искусственно. В последнем случае - это специальные дренажные скважины, широко внедренные в Кузбассе, на Урале известны на Ломовском руднике.

Рисунок 5 - Динамика восстановления уровня подземных вод при самозатоплении Дегтярского и Валуевского рудников

Время от начала остановки колпт.шии, су

Рисунок 6 - Эмпирические графики скорости подъема уровня при самозатоплении Дсгтярского и Валуевского рудников и аппроксимация их степенными

трендами

При обводнении, занимающих гипсометрически более высокое положение техногенных провалов (Гумешевский рудник) или карьеров (Крылатовский рудник) взаимосвязанных с горными выработками, питание участков излива обеспечивается прямым гидродинамическим напором и, как следствие, сифонными условиями излива рудничных вод.

Геохимическая нестабильность рудничного стока формируется в пределах природно-техногенной ГТС и определяется двумя источниками: внешними и внутренними. Как показали исследования Э.Ф. Емлина (1991), приоритетное место по геохимическому воздействию на лито- и гидросферу Урала занимают мед-но-цинковые колчеданные месторождения. При их вскрытии и отработке с изменением окислительно-восстановительной обстановки происходит активная мобилизация рудного материала поверхностными и подземными гидрохимическими потоками. В результате появляются агрессивные кислые сульфатные воды как на поверхности, так и в подземных горизонтах, формирующие гидрохимические опасности и геологические риски.

Параллельно в зоне недостаточного насыщения (зона аэрации и отвальные комплексы) протекают процессы формирования и накопления твердой фазы сульфатов рудных элементов (железа, меди, цинка и др.) в пространствах, примыкающих к зонам окисления и выщелачивания (Белогуб Е.В., Щербакова Е.П., Ни-кандрова Н.К., 2007). Выделяется около 120 минеральных видов сульфатов (Яхо-нова Л.К., Зверева В.П., 2007). Как показали результаты термодинамического моделирования (Елохина С.Н., Рыженко Б.Н., 2012, 2013, 2014), а также анализ кинетики сернокислотного выщелачивания в различных природно-техногенных условиях, накопление гидросульфатов в техногенной зоне аэрации колчеданных месторождений соответствует условиям эксплуатационной стадии Дегтярского рудника. Вторичное минералообразование, в первую очередь гидроморфных гид-роксидных комплексов, происходит при смене окислительно-восстановительных условий, например, при выходе рудничных вод на поверхность земли.

В работах Э.Ф. Емлина, Г.А. Вострокнутова, Л.С. Табаксблата, О.Н. Гряз-нова и др. рассмотрены вопросы формирования кислых рудничных вод, их геохимический спектр, особенности техногенного массопереноса на Урале и другие геохимические аспекты горнорудного техногенеза. В условиях пассивной стадии техногенеза гидрогеохимические процессы и их специализация на Урале практически не исследованы или исследованы явно недостаточно. Самозатопление подработанных территорий принципиально изменяет условия сернокислотного выщелачивания и вторичного минералообразования при переходе от техногенных к природно-техногенным гидрогеологическим условиям. При этом на поверхности земли при ограниченном объеме рекультивационных мероприятий, сохранении отвальных комплексов и техногенных литохимических ореолов, условия сернокислотного выщелачивания и после остановки рудников изменяются незначительно.

Представления о химическом составе рудничных вод затопленных подземных рудников в основном получены по результатам опробования их излива, которое выполнялось в разные периоды их функционирования. Геохимическая обста-

новка в пределах природно-техногенных ПВС в значительной степени определяется рудной специализацией объекта. На отдельных колчеданных объектах длительность наблюдения позволяет сделать выводы об изменчивости химического состава рудничных вод в многолетней перспективе (до 20 лет).

Период нестабильности химического состава рудничных вод в пределах природно-техногенной ПВС наиболее полно зафиксирован геологической службой Дегтярского рудника. Остановка водоотлива была произведена в конце 1995 г., а выход рудничных вод на поверхность земли произошел весной 1999 г. Временные графики показателей химического состава рудничных вод имеют сложную форму с опреснением воды в ёмкости природно-техногенной ГГС на начальном этапе самозатопления (в зоне А) до излива рудничных вод на поверхность. В последующем, при полном затоплении ёмкости природно-техногенной ITC, достигаются пиковые концентрации сульфатов, магния, кальция, марганца, тяжелых металлов и др., превышающие период эксплуатации (рисунок 7).

В этой связи необходимо отметить данные польских коллег о мощном вторжении поверхностных (атмогенных) вод при затоплении Гродзенских медных рудников, которое проявилось в длительном нарушении вертикальной изотопной зональности подземных вод (Fiszer J., Kijewski Р. и др., 2001, 2005). Разубожива-ние рудничного стока в Дегтярской природно-техногенной ПВС, по данным А.И. Вишняка (2005), происходит ежегодно при обильном атмосферном питании в весенний паводок. Такое же многократное разбавление рудничных вод природными водами происходит после остановки дренажных мероприятий. Одновременно при затоплении горных выработок начинается активное растворение и вынос рудничным стоком накопленного объема гидросульфатов в техногенной зоне аэрации, обусловливающие последующее превышение концентрации сульфатов, железа, марганца и др. в рудничных водах над эксплуатационной стадией. Последующая стабилизация химического состава рудничных вод контролируется процессами сернокислотного выщелачивания остаточной сульфидной минерализации, смешением с объемом естественного питания, изменяющегося по сезонам года.

В подтверждение вышесказанному, через 14 лет после полного заполнения Дегтярской природно-техногенной ПВС установлено снижение общего солесо-держания, концентрации сульфатов, железа, меди, цинка в рудничном стоке: при сульфатном составе сухой остаток составляет около 3,5 г/л, содержание железа -250 мг/л, меди - до 0,14 мг/л и др. (см. рисунок 7).

Следует подчеркнуть, что некоторые из установленных в зоне Дегтярского техногенеза гидрохимических закономерностей соответствуют данным по затопленным шахтам Кизеловского угольного бассейна, отличающегося высоким содержанием в угольных залежах серного колчедана (Имайкин А.К., 2005).

Резюмируя эмпирический материал, предложим гидрогеохимическую модель формирования ПТ ПВС для Дегтярского рудника (рисунок 8), находящую подтверждение эмпирическими данными по шахтам Кизеловского угольного бассейна (рисунок 9). При всем различии между объектами налицо схожесть геохимической обстановки и её развития, определяемая наличием природной сульфидной минерализации на обоих объектах. Объем сернокислотного выщелачивания

пассивной стадии тсхногснсза примерно в три раза ниже, чем на активной стадии в Дсгтярской ПТ ГГС, и в 5 раз - в Кизсловской ПТ ГГС.

50 4

■2 линейный фильтр

(рН)

Период наблюдений

Ре общ. ■Мп2

Период наблюдения

Рисунок 7 - Водородный показатель (рН), концентрация сульфатов, железа и марганца в рудничном стоке Дегтярского рудника до и после его затопления

растворение

сульфатов твердой фазы + разбавление природными водами

_II_

растворение

сульфатов твердой фазы сернокислотное\ выщелачивание

сернокислотное выщелачивание

за счет сернокислотного выщелачивания на активной стадии техпогенеза

за счет сернокислотного выщелачивания на пассивной стадии техпогенеза

Лет пассивной стадии техногенеза

Рисунок 8 - Эмпирическая геохимическая модель формирования рудничных вод Дегтярского рудника на пассивной стадии техногенеза (Дегтярская ПТ ГГС)

15-

2 Ю-

растворение сульфатов твердой фазы + разбавление природными

водами (?)? *

12,5

растворение сульфатов твердой фазы + сернокислотное выщелачивание

сернокислотное выщелачивание

12,5

• - Точка

лабораторного

контроля;

цифра рядом -

среднее значение

концентрации (г/л)

за счет сернокислотного выщелачивания на активной стадии техногенеза

Рисунок 9 - Эмпирическая геохимическая модель формирования шахтных вод на объектах Кизеловского угольного бассейна на пассивной стадии техногенеза

(Кизеловская ПТ ГГС)

Рассмотрены показатели химического состава рудничных вод и на других объектах. На Пыишинско-Ключевском медно-кобалътовом руднике поддерживается водоотлив на отметке около 100 м. Химический состав рудничных вод имеет сухой остаток в диапазоне 0,7-0,9 г/л, концентрацию сульфатов 160-280 мг/л, содержание меди 0,3-0,9 мг/л при нейтральных значениях рН.

В границах природно-техногенной ГГС действует водозабор «Зона Поздняя», состоящий из трех сосредоточенных эксплуатационных скважин, вскрывающих горные выработки зоны «Поздняя» на горизонтах 89, 150 и 210 м. Водозабор является основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения города Верхняя Пышма с производительностью 2,0-2,5 тыс. м3/сут. Химический состав воды в водозаборных скважин при околонейтральном значении рН (от 6,2 до 7,6) имеет концентрации нитратов, превышающие в отдельные периоды питьевые ПДК, максимально в маловодный 2010 год - до 60-68 мг/л, что определяется влиянием селитебной застройки (коммунальное загрязнение).

Нестандартная гидрохимическая ситуация складывается на Гумешевском медном руднике, на котором современное состояние техногенеза определяется, во-первых, изливом на поверхность земли кислых рудничных вод, дополнительно загрязненных в результате складирования в техногенные полости промышленных отходов криолитового (бывшего химического) завода, расположенного по соседству; во-вторых, функционированием на территории затопленного рудника с 2004 года опытно-промышленного участка подземного выщелачивания (ПВ) меди из медистых глин с использованием концентрированной серной кислоты; в-третьих, местонахождением месторождения в акватории Северского пруда, являющегося частью водосборной площади Волчихинского водохранилища - источника питьевой воды г. Екатеринбурга. Все три источника (внутренние и внешние) имеют сходные геохимические маркеры, в первую очередь сульфат-ион. Особую опасность при ПВ представляет угроза растворения кислых отходов По-левского криолитового завода потерями технологических растворов. Результаты гидрохимического мониторинга показали, что происходит быстрая нейтрализация агрессивных технологических растворов на природных геохимических барьерах, а наличие выхода на поверхность земли рудничных вод, позволяет объективно контролировать процесс загрязнения подземных вод (Елохина С.Н. и др., 2007).

Гидрохимические характеристики частично затопленного Богомоловского золотого рудника могут быть представлены по результатам наблюдений на действующем водозаборе, отбирающем рудничные воды с глубины около 60-70 м для производственно-технического водоснабжения крупного промышленного предприятия. Рудничные воды имеют минерализацию менее 1,0 г/л и типичный для природных вод района гидрокарбонатный магниево-кальциевьш состав. Выше нормативных значений для вод питьевого назначения фиксируются показатели общей жесткоспи (до 10-15 ммоль/л), содержания нитратов (до 60-100 мг/л), свинца (40-60 мкг/л), кадмия (2-4 мкг/л) и некоторых других (марганец, железо и показатель цветности). Причина появления повышенных концентраций токсичных элементов кроется в горнопромышленном прошлом области питания водозабора, в пределах которой в провалы над подземными горными выработками длительное время складировались промышленные отходы соседнего химического завода.

Как показывают результаты мониторинга, именно в весенний период (апрель) при максимальном атмосферном питании наблюдается рост загрязнения.

На Ломовском и Карпушихинском рудниках, принадлежащим к единому Карпушихинскому медно-цинковому рудному полю, химический состав рудничных вод резко отличается. На Ломовском руднике самоизлив рудничных вод, организованный дренажной скважиной, вскрывающей первую от поверхности горизонтальную горную выработку, имеет слабокислую среду (рН около 5), сухой остаток 0,5 г/л, концентрацию сульфатов - 330 мг/л, содержание меди - 0,18 мг/л, кадмия - 0,013 мг/л. Изливающиеся воды из провалов над северным и южным шахтными стволами Карпушихинского рудника, закрытого более 40 лет назад, более агрессивны: при рН - 2,8 имеют сухой остаток - до 0,75 г/л, концентрацию сульфатов - до 0,5 г/л, содержание меди - 0,7 мг/л, кадмия — до 0,14 мг/л. Причина отличия химического состава рудничных вод Карпушихинского объекта может быть объяснена более низким гипсометрическим положением точек излива и, соответственно, большей глубиной зоны дренирования природно-техногенной ГТС.

Работами Г.А. Вострокнутова (1964), А.С. Веретенниковой (1972) доказано наличие в уральских геологических структурах гидродинамической и гидрохимической зональности, в частности, наличие зон свободного и затрудненного водообмена. Современные данные по результатам опробования Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 (Шиляев Ю.А., 2001) проанализированные Ю.В. Михайловым (2007) с выделением в разрезе гидрофизической зональности по критериям, предложенным В.А. Кирюхиным (2005). В результате выделены четыре зоны: Г-I - весьма активного водообмена с периодом одного цикла около 35 лет (рыхлые отложения), мощностью 30 м; Г-Н - активного водообмена с периодом около 230 лет (зона региональной трещиноватости), в интервале от 30 до 162 м; Г-Ш - замедленного водообмена с периодом 460 лет (промежуточная зона локальных трещин) на глубинах от 162 до 2040 м; Г-IV - весьма замедленного водообмена с периодом около 3500 лет (зона локальных трещин), выделяемая до глубины 6000 м. При этом инфильтрационный генезис воды устанавливается до глубины 3000 м. Данные того же автора по Естюнинскому рудному полю демонстрируют присутствие исключительно пресных вод во всех зонах, кроме Г-IV.

Природную гидродинамическую и гидрохимическую зональность нарушает гиперпроницаемость затопленных рудников, что и продемонстрировали материалы по опробованию вертикального разреза природно-техногенной ГГС на Кры-латовском руднике (Елохина С.Н. и др., 2009). Здесь были отобраны поинтер-вальные пробы воды в доступной части ствола шахты «Центральная», что позволило построить эпюру минерализации рудничных вод. Уверенное отличие в химическом составе рудничных вод установлено между отметками 185 и 220 м (рисунок 10).

Измерение температуры воды на том же участке ствола шахты «Центральная» выполнено одновременно с гидрохимическим опробованием В.А. Щаповым (Институт геофизики УрО РАН) кварцевым термометром (погрешность измерения ±0,01 °С).

Рисунок 10 - Термограмма (а) и продольная схема расположения горных выработок Крылатовского рудника (б): 1- 3 - вертикальные горные выработки: 1- ликвидированная на момент консервации рудника; 2 -законсервированная; 3 -ликвидированная без бетонирования устья; 4 - место выхода шахтных вод (техногенный родник); 5 - предполагаемое

«дно» провала

На полученную термограмму Крылатовекой ПТ ГТС наложены данные по ближайшей фоновой скважине № 2000 Дегтярского рудоуправления, глубина которой сопоставима с исследуемым шахтным стволом и составляет около 500 м. В целом температура воды в шахтном стволе изменяется от 5,83 до 7,55 °С сообразно техногенной структуре по «полочкам», отражающим температурные скачки, соответствующие боковому притоку по горизонтальным горным выработкам 71, 130, 190 и 250 м. Максимальные температурные скачки (до 0,7 °С) установлены на горизонте 120-130 м, имеющем максимальную площадь питания и связь с наибольшим количеством вертикальных каналов и инфильтрогенных вод, отражая специфические водообменные процессы ПТ ПВС. Сравнение термограмм в естественных и природно-техногенных ПВС позволяет констатировать наличие активного вертикального восходящего движения воды в стволе шахты: на глубине 110-120 м в ПТ ГТС температура воды соответствует естественному температурному полю на глубине 240 м и т.д.

Согласно Ф.А. Макаренко и др. (1972), Урал относится к области глубоко-охлажденной верхними инфильтрогенными водами с пониженными геотемпературными градиентами 1,5-2,0 °С на 100 м. По результатам измерения температур на Уральской сверхглубокой скважине СГ-4, по данным Ю.А. Шиляева, геотемпературный градиент составляет 1,5 °С. Материалы по Естюнинскому и Лебяжин-скому рудному полю фиксируют геотермический градиент до глубины 500 м в интервале 0,9-1,0 С с последующим его увеличением до 1,6 °С/100 м на глубине 1,5 км (Михайлов Ю. В., 2007). На природной термограмме по скв. 2000 геотермический градиент в интервале глубин от 100 до 500 м составляет 0,56 °С, а в шахтном стволе Крылатовекой ПТ ГТС температурный градиент выше: 0,8-1,0 °С.

4. Горнорудный техногенез создает комплекс тсхнонриродных геологических опасностей (ТПГО), зависящих от сложности природно-техногенных гидрогеологических условий. Оценка территорий по степени опасности включает выделение внутренней, внешней и замыкающей зон, проведение гидродинамического, воднобалаисового и гидрохимического прогнозов на основе комплексного мониторинга, дифференцированного по зонам ТПГО, и разработку реабилитационных мероприятий (глава 6).

Горнорудный техногенез пассивной стадии проявляется комплексом при-родно-техногенных геологических процессов (см. таблицу 1), продуцирующих ТПГО и связанную с ними вероятность экологических, экономических, физических и прочих рисков. Согласно А.Л. Рогозону, риск есть вероятная мера природной опасности, поэтому его оценка предваряется оценкой природной опасности или их совокупности (Природные опасности России..., 2003). Опасность, в соответствии с тем же источником, представляет собой «процесс, свойство или состояние определенных частей литосферы, гидросферы..., представляющих угрозу для людей (социальный риск), объектов экономики (физический и экономический риски) и (или) окружающей среды (экологический риск)». В литосфере (геологической среде, по Е.М. Сергееву) возникают геологические опасности, проявляющиеся посредством опасных геологических процессов. На затопленных рудниках опасность создает объект, ликвидированный рудник, его затопленные

горные выработки, отвалы и др. элементы. Он является источником воздействия на природные объекты - ландшафты, массивы горных пород, природные подземные и поверхностные воды и т.п. (Елохина С.Н., 2005).

С другой стороны, риск (его вероятность) пропорционален уязвимости рассматриваемого объекта. Последнее есть свойство материального объекта утрачивать способность к выполнению своих естественных функций в результате воздействия опасного процесса или их совокупности (Природные опасности России..., 2003). Применительно к территории пассивного техногенеза уязвимость может быть определена по степени нарушенное™ горнорудной деятельностью естественных природных (в том числе гидрогеологических) условий, например, формированием природно-техногенных ГГС и ПВС, рассмотренных выше. Если уязвимость природных гидрогеологических условий выражается посредством появления природно-техногенных ПВС, то показатели и характеристики последних (скорость водообмена, общая минерализация и др.) можно использовать для характеристики экологических рисков и геологической опасности.

С учетом синсргетичности опасных геологических процессов и создаваемых ими ТПГО разработана группировка последних по гснстичсскому принципу. В результате 14 видов выявленных на Урале геологических процессов (и их проявлений) объединены в четыре группы ТПГО (таблица 3): гидродинамические (ГД), гидрохимические (ГХ), экзогсодинамическис (ЭГД) и геомеханические (ГМ). Ведущим фактором их формирования является подъем уровня подземных вод и его предельное положение, поэтому степень ТПГО непосредственно зависит от сложности гидрогеологических условий затопленного горнорудного объекта.

Для оценки и прогнозирования ТПГО рассмотрены два приема: зонирование территории природно-техногенных ПВС и специальная многоцелевая оценка группы их сложности (Елохина С.Н., Арзамасцев A.A., 2007).

Зонирование территории техногенеза позволяет добиться определенной однородности ТПГО. По аналогии с «Требованиями к мониторингу месторождений твердых полезных ископаемых» (ГИДЭК, 2000), выделяются три зоны, представляющие собой площади с определенным набором потенциальных ТПГО. Максимальное количество возможных проявлений принимается по группам ТПГО, согласно таблице 3: ГД - 3 вида, ГХ - 4 вида; ЭГД - 6 видов и ГМ - 2 вида, в сумме максимально получаем 15 видов опасных процессов, что соответствует 15 баллам. Для Дегтярской ПТ ПВС их 12 (рисунок 11). В иных условиях, отличных от Урала, для территории затопленных рудников может быть принято иное количество видов ТПГО.

Внутренняя зона (I) с максимальной и практически повсеместной поражен-ностью ТПГО всех типов выделяется в границах горного отвода, соответствующего границам природно-техногенной гидрогеологической структуры. Внешняя зона (II) выделяется от границы горного отвода до контура дспрсссионной воронки. В этой зоне отсутствуют подземные горные выработки, но встречаются при-родно-техногенные ландшафты, гидро-, сноу- и литохимичсскис ореолы рассеяния (ТПГО типа ГД, ГХ и ЭГД). Замыкающая зона (III) в условиях горноскладчатого Урала охватывает бассейн местного речного стока (совмещенный с бассейном подземного стока) за пределами дспрсссионной воронки.

Таблица 3 - Группировка техноприродных геологических опасностей на территории затопленных рудников Урала

Группа ТПГО Факторы и условия, формирующие ТПГО Проявления ТПГО

факторы условия

1. Гидродинамические (ГД) Положение восстановленного уровня подземных вод Работающие и строящиеся шахты в зоне гидродинамического влияния затопленных выработок. Заглубленные инженерные сооружения. Селитебные зоны в зоне и ниже участка шахтоизлива 1.1. Прорыв подземных вод из затопленных шахт в действующие или строящиеся, их деформация и затопление

1.2. Заболачивание, подтопление подвальных помещений и выход рудничного газа

1.3. Выход рудничных вод на поверхность земли (шахтоизлив)

2. Гидрохи - мические (ГХ) Положение восстановлен -ного уровня подземных вод. Колчеданные месторождения с оставленными целиками руд, рассеянной сульфидной минерализацией, отвальным комплексом и т.п. Захороненные в горные выработки токсичные отходы Водозаборы и другие заглубленные инженерные объекты в границах при-родно-техногенной ПВС. Снижение защищенности подземных вод. Источники поверхностного загрязнения 2.1. Загрязнение подземных вод

2.2. Формирование агрессивных для фундаментов, кабелей и т.п. рудничных вод

2.3. Загрязнение поверхностных вод

2.4. Специфические геохимические ландшафты

Продолжение таблицы 3

и)

Группа ТПГО Факторы и условия, формирующие ТПГО Проявления ТПГО

факторы условия

3. Экзогео-динампче-ские (ЭГД) Положение восстановленного уровня подземных вод. Степень и характер рекультивации горных выработок Строение, литологический состав и мощность пород зоны аэрации. Геоморфологическое положение, уклоны поверхности земли 3.1. Суффозионные процессы с образованием провалов, деформацией подземных и поверхностных сооружений

3.2. Просадки и провалы в зоне сдвижения, деформация поверхности земли, шахтных стволов и др.

3.3. Набухание и морозное пучение глинистых грунтов, оплывины на бортах воронок обрушения, в карьерах

3.4. Подземная водная эрозия и аккумуляция

3.5 Оползни на бортах техногенных выемок и природных склонах

3.6. Поверхностная водная эрозия и аккумуляция

4. Геомеханические (ГМ) Положение восстановленного УПВ. Напряженное состояние массива горных пород Химический состав подземных вод. Литологический состав и мощность пород зоны аэрации 4.1. Снижение несущих свойств грунтов (уменьшение общего модуля деформации и удельного сцепления)

4.2. Усиление коррозионной активности фунтов

Рисунок 11 - Зонирование территории Дегтярского техногенеза по интенсивности ГШ О: 1 - участки селитебной застройки; 2 - современная гидросеть

Выделение замыкающей зоны связано с остаточными явлениями гидрохимической опасности .на рудниках со сложными и очень сложными природно-техногенными гидрогеологическими условиями (техногенные гидрохимические ореолы). На объектах с простыми гидрогеологическими условиями выделение зоны III нецелесообразно.

Критерии выделения группы сложности объектов, применяемые при освоении и эксплуатации месторождений как твердых полезных ископаемых, так и подземных вод для цели оценки и прогноза ТПГО непригодны. Вероятность риска и уязвимость природной среды находятся в прямой зависимости от степени отличия параметров природно-техногенных ITC и ПВС от природных условий, поэтому предлагается использовать критерии, отражающие степень техногенного изменения условий питания и разгрузки, а также геохимической обстановки (таблица 4).

Таблица 4 - Группы сложности гидрогеологических условий рудников на стадии их «мокрой» ликвидации

Группа Условия питания Условия разгрузки рудничных вод (излив на поверхность земли) Химический состав рудничных вод Типовые затопленные рудники на территории Урала

I. Простые Близки к естественным условиям Отсутствует Близок к естественному гидрогеохимическому фону Ауэрбаховский, Алапаевский, Валуевский

Н.Слож-ные Интенсивность инфильтраци-онного питания увеличена в 2 - 3 раза относительно природных условий Возможен незначительный или периодического действия. На подработанной территории развиваются процессы подтопления и заболачивания 1.При наличии излива близок к естественному гидрогеохимическому фону. 2. При отсутствии излива отличается от природных вод по макрокомпонентному составу и (или) содержит токсичные вещества Богомоловский, Ново- Ежовский, Но-во-Левинский, им. III Интернационала

III. Очень сложные Интенсивность инфильтраци-онного питания увеличена в 3 раза и более относительно природных условий. Имеются условия для формирования прямого гидродинамического напора ' Постоянный выход шахтных вод на поверхность земли. Реализованы мероприятия по его контролю и управлению Отличается от природных вод по макро- и микрокомпонентному составу за счет техногенной активизации природных процессов окисления и (или) содержит токсичные вещества в результате захоронения на подработанной территории промышленных отходов Дегтярский, Лёвихинский, Гумешевский, Крылатовский

Предлагаемые критерии оценки сложности природно-техногенных гидрогеологических условий требуют гидродинамического (с определением величины избыточного напора и местонахождения точки излива рудничных вод), водноба-лансового и гидрохимического прогнозов, для которых рассмотрено применение апробированных эмпирических поправок, учитывающих активизацию поверхностного питания в пределах ПТ ПВС, а также эмпирической гидрогеохимической модели (см. рисунок 8).

Назначение класса мониторинга на конкретных объектах с затопленными горными выработками целесообразно с учетом сложности природно-техногенных гидрогеологических условий и применительно к зонам ТПГО.

Эмпирические данные указывают на шесть возможных направлений рекультивации и реабилитации территории затопленных рудников на Урале. Наилучшим видом реабилитации горнорудных территорий является водохозяйственное направление.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Воздействие горнодобывающего производства на природные ландшафты, литокомплексы и подземные воды описывается через понятие «горнорудного техногенеза», которое, согласно разработкам Н.И. Плотникова, представляет собой комплекс техногенных геологических процессов. После завершения горных работ на постэксплуатационном этапе освоения месторождений техногенез из активной фазы переходит в пассивную, а техногенные геологические процессы уступают место природно-техногенным. Горнорудный техногенез на Урале развивается циклично, когда в границах одной территориальной зоны проводятся горные работы в определенной исторической последовательности, образуя горнорудные циклы со сменой техногенных условий природно-техногенными, снова техногенными и т.д. с их увеличивающейся сложностью.

2. Впервые конкретизирован комплекс природно-техногенных геологических процессов, характерных для пассивной стадии горнорудного техногенеза на территории Уральского складчатого пояса. Разнообразие процессов определяется природными геолого-гидрогеологическими условиями, минералогической специализацией месторождения; горнотехническими условиями отработки месторождения; составом рекультивационных мероприятий; стадией горнорудного цикла.

3. Прекращение горных работ в первую очередь сопровождается самозатоплением) техногенных полостей, которое приводит к формированию природно-техногенных гидрогеологических структур, являющихся неотъемлемой частью природно-техногенных подземных водоносных систем горнорудного профиля. От природных их отличают, в первую очередь, новые гидрогеологические тела (техногенные водоносные горизонты), более высокие скорости водообмена с увеличенной глубиной внедрения поверхностных факторов, специфические пути транзита, имеющие гиперпроницаемость, и участки разгрузки подземного стока, иногда обеспеченные прямым гидродинамическим напором. В пределах техногенного водоносного горизонта шахтного типа подземные воды приобретают свойства рудничного стока.

4. Учитывая синергетичность и комплексность последствий горнорудного техногенеза, уместно говорить о структурном преобразовании подземной гидросферы. Природно-техногенные гидрогеологические структуры являются объективным признаком необратимости техногенного воздействия, изменяющего гео-генез, тенденции и скорости его эволюции.

5. В новых природно-техногенных гидрогеологических условиях отчетливо проявляется период нестационарности, связанный с «перебалансировкой» источников формирования рудничного стока. Процесс самозатопления техногенных полостей количественно отличается в зонах затрудненного и активного водооб-

мена (выше и ниже местного базиса эрозии), отключением в последней привлекаемых источников питания рудничного водоотлива.

6. Нестационарные гидрохимические условия протекают сменой геохимических процессов, преобладающих при тех или иных балансовых пропорциях источников формирования рудничного стока. Наиболее сложно формирование химического состава рудничных вод происходит при завершении отработки колчеданных месторождений, для условий которых разработана эмпирическая геохимическая модель, имеющая прогнозный потенциал. В иных условиях геохимия рудничных вод определяется не только природными, но и привнесенными техногенными факторами, такими как, промышленные отходы, складированные в техногенные полости; гниение и окисление органического материала техногенного происхождения; влияние коммунального или иного поверхностного загрязнения.

Гиперпроницаемость природно-техногенных гидрогеологических структур нарушает природную гидродинамическую и гидрохимическую зональность, а влияние поверхностных агентов в природно-техногенных условиях прослеживается на большую глубину при существенной роли восходящих потоков.

7. На поверхности земли природно-техногенные гидрогеологические структуры и системы проявляются через гидродинамическую, гидрохимическую, экзо-геодинамическую и геомеханическую опасности, убывающую от внутренней к внешней и замыкающей зонам ореола их распространения. Вероятность совокупной техноприродной геологической опасности связана со сложностью природно-техногенных гидрогеологических условий горнорудного объекта, сообразно которой, назначается класс мониторинга, определяющий его продолжительность и состав наблюдений, объектный, территориальный или федеральный уровень исполнения. Опыт рекультивации затопленных рудников Урала включает шесть направлений, среди которых наиболее распространенными являются водохозяйственное, горнотехническое и санитарно-гигиеническое.

8. Направление дальнейших исследований пассивной стадии горнорудного техногенеза может быть связано с получением количественной оценки всех его аспектов в различных природно-техногенных условиях. Требуется инвентаризация и паспортизация горных выработок затопленных рудников Урала.

Список основных опубликованных работ по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 53 работы, основные из которых следующие:

1. Монографии

1. Елохина С.Н. Природно-техногенные гидрогеологические системы горнодобывающих комплексов. С. 254-261 // Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы: колл. Моногр. - СПб.: СПбГУ, 2008. - 420 с.

2. Елохина С.Н. Геоэкологические проблемы затопленных рудников Урала / под ред. О.Н. Грязнова. - Екатеринбург: Изд. УИПЦ, 2013. - 190 с.

2. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией

3. Елохина С.Н. Исследование геоэкологических последствий самозатопления шахтных полей / С.Н. Елохина // Геоэкология. - 2004. - № 5. - С. 405-414.

4. Елохина С.Н. Техноприродные опасности на затопленных рудниках Урала/ С.Н. Елохина // Известия вузов. Горный журнал. - 2005. - № 3. - С. 120-127.

5. Грязнов О.Н. Геоэкологические критерии оценки золоотвалов ТЭС в пределах Уральского складчатого пояса / О.Н. Грязнов, С.Н. Елохина, Л.Д. Футорян-ский, В.А. Пайков // Известия вузов. Горный журнал. - 2005. - № 6. - С. 32-39.

6. Елохина С.Н. Горный техногенез в формировании современного родникового стока на Урале / С.Н Елохина, A.C. Юркин // Известия вузов. Горный журнал.-2007.-№ 1.-С. 43-50.

7. Елохина С.Н. Гидрогеологические условия эксплуатации и ликвидации рудников Урала / С.Н. Елохина, A.A. Арзамасцев // Известия вузов. Геология и разведка. - 2007. - № 4. - С. 57-66.

8. Елохина С.Н. Современное состояние родникового стока на территории Уральского гидрогеологического массива / С.Н. Елохина, A.C. Юркин // Водные ресурсы. - 2007. - Том 34, № 5. - С. 631-640.

9. Елохина С.Н. Роль техногенеза в структурном преобразовании подземной гидросферы / С.Н. Елохина // Геоэкология. — 2007. - № 6. - С. 494-505.

10. Елохина С.Н. Зонирование природно-техногенных гидрогеологических систем (на примере Крылатовского рудника) / С.Н. Елохина, В.А. Арзамасцев, С.Э. Борич, Е.М. Сотова, В.А Щапов // Известия вузов. Геология и разведка. -2010. - № 1.-С. 53-58.

11. Елохина С.Н. Планирование развития системы мониторинга -Гумешев-ского месторождения меди (Средний Урал) на базе численного моделирования / С.Н. Елохина, В.А. Арзамасцев, П.К. Коносавский, A.A. Потапов // Геоэкология. -2012.-№ 1.-С. 82-90.

12. Елохина С.Н. Экзогенные геологические процессы на территории Уральского федерального округа и оценка активности их проявления / С.Н. Елохина, В.А. Елохин, Т.Е. Сенюта // Известия вузов. Горный журнал. — 2012. - № 2. -С. 173-177.

13. Елохин В.А. Исследования почв в зоне влияния шлакового отвала / В.А. Елохин, С.Н. Елохина, С.Ю. Кайгородова, А.Б. Ханин // Известия вузов. Горный журнал. - 2012. - № 3. - С. 78-84.

14. Елохина С.Н. Оценка влияния горнодобывающего производства на загрязнение почв / С.Н. Елохина, В.А. Елохин, К.А. Зубарев // Известия вузов. Горный журнал. - 2012. - № 8. - С.60-65.

15. Елохина С.Н. Горнорудный техногенез постэксплуатационной стадии на территории Урала // Литосфера. - 2013. - № 5. - С. 170-183.

16. Елохина С.Н. Оценка влияния горнорудного производства на поверхностные и подземные воды / С.Н. Елохина, В.А. Елохин // Известия вузов. Горный журнал. -2014. - № 1. - С. 173-179.

17. Елохина С.Н. Вторичное минералообразование в природно-техногенных гидрогеологических системах колчеданных месторождений, моделирование образования фазы (Fe, Mg)S04 ■ 7НгО при окислении сульфидов Дегтярского медно-колчеданного месторождения / С.Н. Елохина, Б.Н. Рыженко // Геохимия. - 2014. -№2.-С. 1-15.

3. Статьи, опубликованные в сборниках и в материалах конференций

18. Елохина С.Н. Прогноз гидрогеологических и инженерно-геологических последствий затопления выработок Березовского рудника /С.Н. Елохина, A.A. Арзамасцев, С.Б. Соколкин // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий: мат-лы междунар. симпозиума. Т. II. - Екатеринбург, 2001.-С. 474-479.

19. Елохина С.Н. Гидрогеологические проблемы ликвидации горнорудных предприятий / С.Н. Елохина // Экологические проблемы промышленных регионов. - Екатеринбург, 2001. - С. 127.

20. Елохина С.Н. Прогноз гидродинамических последствий затопления подземных горных выработок в условиях недостаточности гидрогеологической информации / С.Н. Елохина // Сергеевские чтения. Вып. 4: мат-лы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. - М.: Изд. «ГЕОС», 2002. - С. 361-364.

21. Елохина С.Н. К методике прогноза скорости затопления подземных горных выработок / С.Н. Елохина, Л.Д. Футорянский // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып. 15. Серия: Геология и геофизика. -Екатеринбург, 2002. - С. 227-231.

22. Елохина С.Н. Некоторые моменты методики прогноза излива шахтных вод на поверхность земли при самозатоплении шахтных полей / С.Н. Елохина // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып. 18. Серия: Геология и геофизика. - Екатеринбург, 2003. - С. 216-219.

23. Елохина С.Н. Новые направления гидрогеологических исследований при ликвидации и консервации шахтных полей на уральских рудных месторождениях / С.Н. Елохина // Тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии в условиях рыночной экономики России: мат-лы науч.-методич. конф. «XI Толстихинские чтения». - С.-Пб, 2004. - С. 19-21.

24. Елохина С.Н. Основные закономерности трансформации химического состава шахтных вод при затоплении медных рудников Урала / С.Н. Елохина, O.A. Силина // Развитие научных идей A.M. Овчинникова в гидрогеологии: мат-лы совещ. памяти A.M. Овчинникова. - М.: МГТРУ, 2005. - С. 133-141.

25. Елохина С.Н. Некоторые данные о сходимости долговременных гидрогеологических прогнозов на затопленных рудниках Урала / С.Н. Елохина // 85 лет геологической службе Урала: мат-лы науч.- практ. конф. - Екатеринбург 2005 -С. 176-177.

26. Elokhina S.N. Zoning of techno - natural dangers of flooded mine fields / "Latest natural disasters - new challenges for engineering geology, geotechnics and civil protection": мат-лы междунар. симпозиума. - София, 2005. - С. 61-62.

27. Елохина С.Н. Типизация техногенных водоносных горизонтов / С.Н. Елохина // Подземная гидросфера: мат-лы XVIII сов. по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. - Иркутск, 2006. - С. 389-392.

28. Елохина С.Н. Снижение инновационного потенциала подземной гидросферы в результате горного техногенеза / С.Н. Елохина, A.C. Юркин // Инновационный потенциал естественных наук: труды междунар. науч. конф. Т.Н. Экология

и рациональное природопользование. Управление инновационной деятельностью. - Пермь: Пермский госуниверситет, 2006. - С. 98-103.

29. Елохина С.Н. Природно-техногенные гидрогеологические структуры / С.Н. Елохина // Эколого-геологаческие проблемы урбанизированных территорий: мат-лы Всерос. науч.-практ конф. (г. Екатеринбург, УГГУ, 19-20 дек. 2006 г.). -Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. - С.21-24.

30. Елохина С.Н. Активизация экзогенных процессов в пределах природно-техногенных гидрогеологических структур / С.Н. Елохина, В.А. Арзамасцев // Сергеевские чтения. Вып. 9. Опасные природные и техноприродные экзогенные процессы: закономерности развития, мониторинг и инженерная защита территорий: мат-лы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, иженерной геологии и гидрогеологии (22-23 марта 2007 г.). - М.: Изд. «ГЕОС», 2007. - С. 364-368.

31. Елохина С.Н. Эволюция подземной гидросферы в зоне техногенеза Гу-мешевского месторождения меди / С.Н. Елохина, В.А. Арзамасцев // Гидрогеохимия осадочных бассейнов: труды Рос. науч. конф. - Томск: Изд-во HTJI, 2007. - С. 240-248.

32. Елохина С.Н. Структурное преобразование подземной гидросферы в результате горнодобывающей деятельности / С.Н. Елохина // Подземные воды — стратегический ресурс устойчивого развития Казахстана: мат-лы науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию H.A. Кенесарина (г. Алматы, Казахстан, 1-3 окт. 2008). -Алмата, 2009. - С.123-126.

33. Елохина С.Н. Роль рудного техногенеза в формировании подземных вод восточного склона Урала / С.Н. Елохина, В.А. Арзамасцев // Подземные воды Востока России: мат-лы Всерос. сов. по подземным водам Востока России с международным участием (XIX Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока, 22-25 июня 2009 г.). - Тюмень, 2009. - С. 349-353.

34. Елохина С.Н. Моделирование образования фазы (Fe, Mg)S04x 7Н20 при окислении сульфидов / С.Н. Елохина, Б.Н. Рыженко // Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы Всерос. конф. с участием иностранных ученых. - Томск: Изд-во HTJI, 2012. - С. 74-77.

35. Елохина С.Н. Параметры постэксплуатационного техногенеза горнорудного профиля в зоне влияния Дегтярского рудника / С.Н. Елохина, A.A. Киндлер, Р.Н. Шараев, A.A. Царегородцева // Сергеевские чтения. Вып. 15. Устойчивое развитие: задачи геоэкологии (инженерно- геологические, гидрогеологические и геокриологические аспекты): мат-лы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (21-22 марта 2013 г.) - М.: Изд. РУДН, 2013. - С. 249-254.

36. Elokhina S.N. Formation of (Fe, Mg)S04.7H20 (Kirovit) due to Sulfide Oxidation in the Ural Submerged Massive sulfide Mines / S.N. Elokhina, B.N.Ryzhenko // Procedía Earth and Planetary Science 7 (2013) 240 - 243 / Proceedings of the Fourteenth International Symposium on Water-Rock Interaction, WRI 14 (Editors: Roland Hellmann and Helmut Pitsch). vyww.sciencedirect.com.

Подписано к печати 26 марта 2014 г. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Печать на ризографе. Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 10 .

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет». 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Елохина, Светлана Николаевна, Екатеринбург

Министерство образования и науки Российское Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет»

ТЕХНОГЕНЕЗ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Научный консультант - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Грязнов Олег Николаевич

ЕЛОХИНА Светлана Николаевна

Екатеринбург - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕХНОГЕНЕЗА ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА....................................................................................................................15

1.1. Техногенные процессы и понятие «техногенез»........................... ..................15

1.2. Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии................................................27

1.3. Эволюция природно-техногенных литогенетических систем................................46

1.4. Техногенез подземной гидросферы................................................................................................................................51

1.4.1. Подземная водоносная система или гидрогеологическая структура ... 51

1.4.2. Виды техногенного воздействия на подземную гидросферу....................................55

Выводы по главе 1.......................................................... ..................................................................58

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ УРАЛЬСКОГО СКЛАДЧАТОГО ПОЯСА И ОБЪЕКТОВ ГОРНОРУДНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА ... 60

2.1. Климатические условия территории..............................................................................................60

2.2. Гидрографическая сеть Урала....................................................................................................................................................62

2.3. Геоморфологические особенности Уральского складчатого пояса............64

2.4. Геологическое строение и металлогения Урала....................... ..............................69

2.5. Гидрогеологические условия Уральского региона........................................................................83

2.6. Инженерно-геологические условия Уральского складчатого пояса .... 91

2.7. Объекты горнорудного техногенеза на территории Урала..........................................98

2.7.1. Меднорудные месторождения Урала.................................................................................................99

2.7.2. Золоторудные месторождения Урала........................................................................................................................129

2.7.3. Железорудные месторождения Урала........................................ ....................................137

Выводы по главе 2..........................138

ГЛАВА 3. ГОРНОРУДНЫЙ ТЕХНОГЕНЕЗ ПОСТЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТАДИИ НА ТЕРРИТОРИИ УРАЛА........................................................................141

3.1. Результаты обследования остановленных и затопленных рудников Урала.................................................................................................................... 141

3.2. Природно-техногенные геологические процессы пассивной стадии техногенеза......................................................................................................... 183

3.3. Горнорудный цикл техногенеза.................................................................... 197

Выводы по главе 3............................................................................................ 200

ГЛАВА 4. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДОНОСНЫЕ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА ГОРНОРУДНОГО ПРОФИЛЯ......................... 202

4.1. Техногенный водоносный горизонт и его типы........................................ 204

4.2. Природно-техногенные подземные водоносные системы горнорудного профиля..................................................................................................... 213

4.3. Гидродинамические аспекты формирования природно-техногенных ПВС...................................................................................................................... 219

4.3.1. Самозатопление шахтных полей................................................... ............................220

4.3.2. Формирование излива шахтных вод на поверхность земли _____........._____ 224

4.4. Техногенное преобразование ПВС на Дегтярском месторождении..........230

Выводы по главе 4........................................................................................................................................................................................235

ГЛАВА 5. ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПАССИВНОЙ СТАДИИ ГОРНОРУДНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА НА УРАЛЕ................... 237

5.1. Эмпирические данные о химическом составе рудничных вод пассивной стадии..................................................................238

5.1.1. Колчеданные рудники Урала......................................................................... 239

5.1.2. Гумешевское месторождение меди 250

5.1.3. Золоторудные месторождения Урала.......................................................... 253

5.2. Гидрогеохимические процессы пассивной стадии горнорудного техногенеза (предпосылки)..............262

5.2.1. Сернокислотное выщелачивание 264

5.2.2. Вторичное минералообразование, растворение и смешение 268

5.3. Анализ экспериментальных данных по геохимии рудничных во

природно-техногенных ПВС................................ ......................................................................................271

Выводы по главе 5 ................................................... ............................................................276

ГЛАВА 6. ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОПАСНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА,

ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ......................................................................277

6.1. Группировка техноприродных геологических опасностей на территории затопленных рудников Урала............................ .......................................................278

6.2. Прогнозирование техноприродных геологических опасностей..........................286

6.2.1. Зонирование территории по техноприродной геологической опасности как метод их прогноза ..... .......................................... ..........................................................287

6.2.2. Группы сложности гидрогеологических условий рудников на стадии их «мокрой» ликвидации и консервации.....................................................................292

6.3. Мониторинг территорий затопленных рудников Урала ............................................300

6.4. Рекультивация территории затопленных рудников Урала ...................... 310

Выводы по главе 6 .......................................................... ..................318

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 321

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

324

ВВЕДЕНИЕ

Уральский складчатый пояс относится к старейшим горнодобывающим регионам не только России, но и мира, являясь одним из центров горно-металлургического производства с эпохи раннего металла [50]. Остановка и закрытие любого горного предприятия является неизбежным историческим фактом, после которого возникает необходимость рекультивации и реабилитации нарушенных земель, гидросферы и массива горных пород. За продолжительную историю освоения уральских рудных месторождений, по данным Л.Н. Овчинникова (1998), отработано более 200 объектов. В результате горными работами нарушены участки недр разной площади от первых до сотен квадратных километров часто с крайне низким уровнем рекультивации. Ведущим способом последнего, как показали работы Уральской комплексной геолого-съемочной экспедиции [275], реализована «мокрая» консервация или ликвидация (МЛ) рудников.

В начале XX в. В.И. Вернадским было отмечено, что горнодобывающая деятельность оказывает мощное преобразующее воздействие на ландшафты, литосферу и подземные воды. Для характеристики техногенных геохимических ландшафтов, возникших в результате горного производства, А.Е. Ферсманом предложен очень удачный термин «техногенез», впоследствии получивший широкое применение и развитие.

Массовая остановка и закрытие рудников на Урале, как и в других горнодобывающих регионах России и СНГ, произошли в последней четверти XX в. и начале XXI в. по причине низкой их текущей рентабельности в изменившихся социально-экономических условиях. В первую очередь закрывались старые горнодобывающие предприятия на территории Среднего Урала, с длительной историей горно-добычных работ. Отличительной особенностью остановленных горных объектов указанного периода является масштаб горного техногенеза: большие глубины и огромные подработанные площади, часто сопряженные с селитебными зонами. На Урале это города Верхняя Пышма, Деггярск, Кировград, Краснотуринск, Красноуральск, Копейск, Нижний Тагил, Полевской и другие на территории Свердловской и Челябинской областей и в Башкортостане. На очереди к затоплению стоят ещё работающие горнодобывающие предприятия в городах Березовский, Североуральск, Учалы и др. В результате проявле-

ния негативных геологических процессов на указанных территориях, особенно при наличии старых неглубокозалегающих подземных горных выработок, спровоцирована крайне напряженная экологическая, а иногда и социальная ситуация, что определяет актуальность поставленной тематики работ.

В этот период геоэкологическими исследованиями на горных объектах Урала в связи с прогнозом их MJI и после занимались И.В. Абатурова, A.A. Арзамасцев, Л.И. Афанасиади, Г.Н. Беляев, С.М. Блинов, А.И. Вишняк, А.Я. Гаев, О.Н. Грязнов, О.М. Туман, С.Г. Дубейковский, С.Н. Елохина, А.И. Заболоцкий, О.В. Зотеев, К.К. Имайкин, А.К. Имайкин, В.Н. Катаев, А.Б. Макаров, В.П. Новиков, C.B. Палкин, С.С. Потапов, Ю.С. Рыбаков, Л.С. Рыбникова, Н.В. Савеня, А.И. Семячков, Л.С. Табаксблат, И.А. Чет-веркин и др. В результате накоплен достаточный объем эмпирического материала, который мотивировал автора к его обобщению и анализу (2001, 2004, 2007 и др.).

В настоящей работе впервые для условий Урала выполнены систематизация и анализ эмпирических данных по природно-техногенным геологическим процессам постэксплуатационной стадии освоения рудных месторождений, их оценки и прогноза при «мокрой» ликвидации (консервации) остановленных рудников.

Общенаучная значимость выполненных исследований обоснована разработкой научно-методических основ оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных геологических процессов постэксплуатационной стадии освоения рудных месторождений в условиях Уральского складчатого пояса в зависимости от техногенного преобразования гидрогеологических структур и систем.

Установленные особенности техногенного преобразования подземной гидросферы горнодобывающего профиля позволяют решать ряд важных прикладных задач, таких как, прогноз гидрогеоэкологических последствий остановки и «мокрой» ликвидации подземных рудников на Урале, зонирование техноприродных геологических опасностей на подработанном пространстве; планирование рационального использования, рекультивации и мониторинга нарушенных земель и искусственных подземных пространств и т.д.

Основная идея работы - на пассивной стадии горнорудного техногенеза формируется комплекс опасных природно-техногенных геологических процессов, генетически связанных с природно-техногенными подземными водоносными системами затоплен-

ных рудников Урала, характеризующихся специфической гидродинамической и геохимической обстановкой, особенно при нестационарном режиме их функционирования.

Цель исследований - выявление закономерностей трансформации подземных водоносных систем, формирования природно-техногенных геологических процессов на постэксплуатационной стадии горнорудного техногенеза и разработка научно-методических основ их гидрогеоэкологической оценки и прогноза на Урале.

Основные задачи исследований:

- исследование связи техноприродных геологических опасностей и природно-техногенных подземных водоносных систем горнорудного профиля для условий Уральского складчатого пояса;

- систематизация направлений реабилитации и рекультивации подработанных территорий;

тельности в Уральском государственном горном университете в 1998 - 2013 гг. В течение этого времени автором обследованы территории большинства рудников Урала как на стадии их работы, так и после её завершения. В результате подготовлены:

- экспертные заключения на «мокрую» ликвидацию Березовского, Дегтярского, Гумешевского и Крылатовского подземных рудников, выполнены циклы мониторинговых наблюдений на них;

- проекты мониторинга состояния подземных вод на территории Пышминско-Юночевского медно-кобальтового месторождения (г. Верхняя Пышма); завода ППМ, включая затопленный Калатинский рудник (г. Кировград); по Сибайскому и Каманган-скому медным карьерам (Башкирия) и др.;

- отчеты по оценке состояния окружающей среды района г. Краснотурьинска (территория Турьинских медных рудников, шахта Северо-Песчанская, Ауэрбаховское рудное поле и др.), Гороблагодатского месторождения (г. Кушва) и др.;

- отчет по результатам геоэкологического мониторинга Уральского полигона аэрокосмического мониторинга (г. Нижний Тагил: рудники Высокогорский, Естюнинский, Лебяжинский, III Интернационала и др.; г. Кушва: Гороблагодатский и Валуевский рудники; г. Качканара: ГОК «Ванадий»; г. Красноуральск: Красногвардейский, Леневский и др. рудники);

- отчеты по оценке запасов подземных вод ряда месторождений пресных подземных вод, в том числе, Ежовского МППВ (г. Кировград), находящегося в зоне влияния Ломовского и Ново-Ежовского затопленных рудников, Богомоловского месторождения (г. Красноуральск), приуроченного к шахтному полю затопленного рудника;

- отчет по обобщеншо опыта ликвидации (консервации) горных выработок и их влияния на подтопление застроенных территорий Свердловской области;

- мелкомасштабные карты экзогенных геологических процессов и подверженности населенных пунктов Уральского региона опасным инженерно-геологическим процессам в составе всероссийского картографирования и целый ряд других работ.

С 2008 года и по настоящее время автор возглавляет государственный мониторинг состояния недр по Уральскому федеральному округу, в рамках которого выполняется контроль за состоянием подземных вод и экзогенных геологических процессов в естественных условиях и под влиянием техногенного воздействия, в том числе, Дегтярского, Левихинского, Ломовского, Карпушихинского и др. рудников, заброшенных ко-

пий, шахт и карьеров на территории Режевского природно-минералогического заказника, старых шахт в г. Екатеринбурге и прочих горнорудных объектов. Методы исследований.

В процессе выполнения исследований применялись: гидрогеологические, инженерно-геологические, ландшафтно-геохимические съемки различных масштабов (от детальных до мелкомасштабных); комплекс стандартных полевых методов исследования (бурение, опытные откачки, каротажные исследования, геохимическое опробование дренажных, рудничных, подземных и поверхностных вод, донных отложений и др., гидрометрические работы, химико-аналитические исследования в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, морфометрический метод реконструкции зеркала подземных вод и др.); теоретическое обобщение собственных материалов, а также опубликованных и фондовых данных; методы гидродинамического и термодинамического моделирования с использованием ГИС-технологий и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны научно-методические основы выделения пассивной стадии техногенеза горнорудного профиля на постэксплуатационном этапе освоения месторождения, описываемые эвристической моделью развития геосреды в условиях техногенеза.

3. Обоснован комплекс опасных природно-техногенных геологических процессов пассивной стадии техногенеза для условий Уральского складчатого пояса.

4. Доказана эволюция ГГС и ПВС на разных этапах горнорудного техногенеза.

5. Доказано, что ПТ ГГС затопленных рудников Урала своей гиперпроницаемостыо нарушают природную вертикальную гидродинамическую зональность и �

Информация о работе

Елохина, Светлана Николаевна
доктора геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2014
ВАК 25.00.36

Диссертация

Техногенез затопленных рудников Урала - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему Техногенез затопленных рудников Урала ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Техногенез затопленных рудников Урала"

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Елохина, Светлана Николаевна, Екатеринбург

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Техногенез затопленных рудников Урала
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология