Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Условия формирования естественных ресурсов подземных вод в зоне сочленения Витимо-Патомского нагорья и Тамаракской депрессии

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Условия формирования естественных ресурсов подземных вод в зоне сочленения Витимо-Патомского нагорья и Тамаракской депрессии"

На правах рукописи

ГРЕБНЕВА АНАСТАСИЯ ВИКТОРОВНА

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ЗОНЕ СОЧЛЕНЕНИЯ ВИТИМО-ПАТОМСКОГО НАГОРЬЯ И ТАМАРАКСКОЙ ДЕПРЕССИИ (НА ПРИМЕРЕ ТАМАРАКСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД)

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2014 005566401

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Антонов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

Гаев Аркадий Яковлевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», кафедра геологии, профессор.

Хархордин Иван Леонидович — кандидат геолого-минералогических наук, ООО "Геостройпроект", заместитель генерального директора.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Защита состоится 04 марта 2015 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 29 декабря 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ¿Ы КИРЬЯКОВА

диссертационного совета / Ирина Геннадьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Центром крупного золоторудного района, расположенного на севере Иркутской области, является г. Бодайбо, где более 300 лет ведется добыча россыпного золота.

В регионе остро стоит проблема хозяйственно-питьевого водоснабжения, прежде всего, г. Бодайбо, для которого заявленная потребность составляет 4000 м3/сут. В настоящее время источником водоснабжения является поверхностный водозабор на р. Витиме, однако качество воды в нем не соответствует нормативным требованиям по органолептическим и бактериологическим показателям. Загрязнение поверхностных вод происходит вследствие разработки месторождений золота. Оптимальным решением проблемы может стать переход в кратчайшие сроки на водоснабжение за счет Тамаракского месторождения подземных вод (ТМПВ), находящегося в 16 км от города.

Основным источником формирования запасов месторождения являются естественные ресурсы, поэтому установление закономерностей их формирования в сложных геолого-структурных и мерзлотно-гидрогеологических условиях района является актуальной задачей.

Для ее решения, наряду с применением классических гидрогеологических приемов, могут быть использованы методы имитационного компьютерного моделирования фильтрационных процессов. Калибрация математической модели позволит осуществлять систематическое сопоставление прогнозных и реальных параметров в процессе освоения Тамаракского месторождения подземных вод и сохранять устойчивый режим водоснабжения города и объектов его инфраструктуры.

Изучением условий формирования и закономерностей распределения естественных ресурсов подземных вод занимались Б.И. Куделин, Ф.А. Макаренко, В.А. Всеволожский, О.В. Попов, И.В. Зеленин, В.А. Кирюхин, B.C. Кусковский, М.Р. Никитин, Б.И. Писарский, А.П. Хаустов, Б.М. Шенькман, А.З. Амусян, A.M. Владимиров, Б.М. Доброумов, С.М. Семенова, Б.Л. Соколов, Г.Н. Каменский, H.A. Плотников и др. Результаты этих исследований послужили теоретической основой для решения задач,

поставленных в диссертационной работе.

Цель диссертационной работы. Установление закономерностей формирования естественных ресурсов подземных вод в сложных геолого-структурных и мерзлотно-гидрогеологических условиях района Тамаракского месторождения с использованием геофильтрационного моделирования.

Основные задачи исследований:

1. Выявление ведущих факторов формирования и распространения естественных ресурсов подземных вод в сложных геолого-структурных и мерзлотно-гидрогеологических условиях.

2. Установление мест локализации подземного стока для обоснованного освоения эксплуатационных участков ТМПВ.

3. Выявление основных балансовых составляющих формирования естественных ресурсов и определение среднемноголетнего инфильтрационного питания.

4. Разработка геофильтрационной математической модели Тамаракского месторождения подземных вод для его устойчивой эксплуатации.

Научная новизна

1. Предложен комплексный научно-методический подход к оценке условий формирования и распространения естественных ресурсов Тамаракского месторождения подземных вод в сложных структурно-геологических и мерзлотно-гидрогеологических условиях на базе геолого-гидрогеологического и морфометрического анализов. Установлена количественная и пространственная зависимость модулей стока от основных морфометрических показателей - площадей водосборов, уклонов водотоков, мощности зон дренирования.

2. Оценка балансовых составляющих естественных ресурсов, выявившая, что основным источником пополнения является инфильтрационное питание поверхностными водами, позволила провести районирование территории Тамаракского месторождения по интенсивности инфильтрационного питания подземными водами.

3. Разработана численная геофильтрационная модель, с помощью которой дана прогнозная оценка обеспеченности Тамаракского месторождения подземными водами, учитывающая

особенности строения района исследований и различный вклад балансовых составляющих.

Методы исследования

В основу диссертационной работы положены результаты исследований, полученные автором в ходе гидрогеологических поисково-разведочных работ в районе Тамаракского месторождения подземных вод в период с 2008 по 2011 гг., а также материалы, предоставленные ОАО «Иркутскгеофизика». Большую роль в подготовке диссертации сыграли собранные и проанализированные автором архивные материалы территориальных геологических фондов г. Иркутска.

Для определения закономерностей формирования и распространения ресурсов подземных вод в районе Тамаракского месторождения применялся морфометрический метод, сутью которого является установление связи между характеристиками подземного стока и формами рельефа. Оценка инфильтрационного питания осуществлялась методами среднемноголетнего водного баланса Б.И. Куделина и гидродинамическим (конечных разностей) Н.А. Биндемана. Прогнозная оценка обеспеченности запасов подземных вод и обоснование оптимального режима эксплуатации месторождения осуществлялась на основании разработанной численной геофильтрационной модели с применением программного комплекса Processing Modflow 5.3. Статистическая обработка данных проводилась посредством программного обеспечения Statistica 7.0. Графические приложения и карты строились с использованием программных комплексов CorelDRAW Х5 и Surfer.

Научные положения, выносимые на защиту

1. На формирование естественных ресурсов подземных вод, наряду с геолого-структурными условиями и распространением многолетнемерзлых пород, существенное влияние оказывают морфометрические параметры, корреляционно связанные с модулями стока.

2. Основной балансовой составляющей естественных ресурсов подземных вод, обеспечивающих запасы Тамаракского месторождения, является инфильтрационное питание

поверхностными водами, при этом максимальные ресурсы подземных вод локализуются в тальвегах долин в пределах сквозных таликов, приуроченных к обводненным зонам разрывных дислокаций.

3. Разработанная численная геофильтрационная модель, учитывая разный вклад балансовых составляющих, позволяет составить прогноз обеспеченности Тамаракского месторождения подземными водами.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Пятнадцатые Сергеевские чтения. Устойчивое развитие: задачи геоэкологии (инженерно-геологические, гидрогеологические и геокриологические аспекты)» (Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2013 г.), Международная конференция во Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2013 г.), Международный семинар стипендиатов DAAD по программе М.Ломоносова (Бонн, Германия, 2013 г.), Международная конференция в Рурском университете (Бохум, Германия, 2014 г.)

Исследования были поддержаны стипендией DAAD имени Михаила Ломоносова на безе Рурского университета (2013-2014 гг.)

Практическая значимость

Обоснован комплекс научных методов, позволяющий выявить закономерности формирования и распределения естественных ресурсов в регионе со сложными геолого-структурными и мерзлотно-гидрогеологическими условиями, определить основные величины балансовых составляющих естественных ресурсов. С помощью численного геофильтрационного моделирования получена возможность прогнозной оценки обеспеченности запасов подземных вод Тамаракского месторождения.

Полученные результаты научных исследований послужат алгоритмом устойчивого обеспечения подземными водами, прежде всего, г. Бодайбо, а также могут использоваться при организации водоснабжения других объектов, находящихся в аналогичных геолого-структурных и мерзлотно-гидрогеологических условиях

северной части Иркутской области.

Личный вклад автора

Автор проанализировал большой объем материалов по результатам ранее выполненных гидрогеологических исследований производственными и научными организациями, а также принимал непосредственное участие в полевых и камеральных поисково-разведочных работах по выявлению и оценке запасов Тамаракского месторождения подземных вод, проводимых производственным объединением «Иркутскгеофизика».

В процессе исследований проанализированы природные условия и установлены закономерности формирования естественных ресурсов подземных вод в сложных геолого-структурных и мерзлотно-гидрогеологических условиях региона Восточной Сибири. Разработана геофильтрационная математическая модель района Тамаракского месторождения подземных вод, с целью надежной прогнозной оценки естественных ресурсов -основного установленного источника формирования эксплуатационных запасов, а также для обеспечения устойчивого режима освоения месторождения.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. ;

Объем и структура работы

Текст диссертационной работы состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 142 страницах машинописного текста, и содержит 37 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 123 наименований.

Благодарности

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за помощь, оказанную на различных этапах работы, научному руководителю д.г-м.н., профессору В.В. Антонову, сотрудникам кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Национального минерально-сырьевого университета «Горный» проф. д.г-м.н. С.М. Сударикову, доц. к.г-м.н. Д.Л. Устюгову, доц. к.г-м.н. Т.Н. Николаевой, доц. к.г-м.н. С.Н. Котлову, асп. E.H. Савельевой, а также доценту кафедры прикладной геологии

Иркутского государственного технического университета, к.г-м.н. Ю.Н. Диденкову. Кроме того, автор благодарит всех сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за полезные советы, критические замечания и содействие в подготовке диссертации.

Основное содержание работы

Основные результаты диссертационного исследования отражены в следующих защищаемых положениях.

На формирование естественных ресурсов подземных вод, наряду с геолого-структурными условиями и распространением многолетнемерзлых пород, существенное влияние оказывают морфометрические параметры, корреляционно связанные с модулями стока.

Район Тамаракского месторождения расположен в пределах Байкальской горной области на сочленении двух крупных структур -Витимо-Патомского нагорья и включенной в него внутренней Тамаракской депрессии (Рисунок 1).

Витимо-Патомское нагорье представляет собой систему средневысотных горных хребтов, вытянутых в направлении с севера на юг, и расчлененных речными долинами. Абсолютные высоты района местами превышают 1000 м, в среднем же колеблются в пределах 300-900 м. Нагорье сложено местами интенсивно дислоцированными и метаморфизованными кристаллическими сланцами и алевролитами протерозойского комплекса, в речных долинах перекрытыми аллювиальными отложениями мощностью от 1 до 3-5 м.

Тамаракская депрессия представляет собой крупное понижение тектонического происхождения, характеризуется низко-среднегорным рельефом. Депрессия развита на дислоцированных интрузивных породах палеозоя, сложенных гранитами. В местах сочленения нагорья и депрессии наблюдается повышение мощности четвертичных отложений до 15-20 м.

Коренные породы характеризуются преимущественным распространением трещинно-жильных вод, приуроченных к зонам экзогенной трещиноватости.

В районе выделяются следующие гидрогеологический подразделения: водоносный горизонт современных отложений (01У), водоносная зона трещиноватости палеозойских магматических образований (yPZ) и локально водоносная зона трещиноватости протерозойских пород (РК). На Тамаракском месторождений пройдено шесть скважин (Рисунок 2), вскрывающих протерозойскую водоносную зону трещиноватости. Подземные воды месторождения по качеству соответствуют нормативным требованиям и имеют преимущественно сульфатно-гидрокарбонатный кальциево-магниевый состав с минерализацией не более 0,3 г/л.

Район исследований характеризуется суровыми климатическими условиями, что обусловливает наличие в разрезе многолетнемерзлых пород (ММП). Их распространение носит островной характер с развитыми в днищах долин сквозными таликами. Талики распространены весьма ограниченно и приурочены, в основном, к зонам тектонических нарушений. Верхняя граница многолетнемерзлой толщи ограничена слоем сезонного оттаивания (деятельной зоной) мощность которого достигает от 2-4 м в коренных породах и от 1 до 3 м. Нижняя граница мерзлой толщи располагается на разной глубине - от первых десятков до 100 м и более.

Закономерности формирования ресурсов подземных вод определяются структурно-гидрогеологическими особенностями, строением фильтрационной среды, мерзлотными условиями и распределением инфильтрационного питания.

Для Тамаракского месторождения, согласно схеме формирования подземного стока, предлагаемой автором (Рисунок 3), основным источником восполнения естественных ресурсов является поглощение поверхностных вод и атмосферных осадков в зонах сквозных таликов. Движение подземного стока происходит по зонам экзогенной и тектонической трещиноватости в соответствии с рельефом территории, проводящей способностью трещин и особенностью мерзлотных условий.

Многолетнемерзлые породы, распространенные на водораздельных пространствах, условно разделили территорию

Тамаракского месторождения на систему отдельных узколокальных бассейнов, приуроченных к наиболее проницаемым тектоническим зонам. В таких бассейнах и распределены основные ресурсы подземных вод. Фильтрационные свойства каждого бассейна весьма неоднородны по площади и глубине. Это обстоятельство определяет специфику условий формирования и распределения естественных ресурсов на месторождении, количественные показатели которых выражаются модульными характеристиками стоков.

При детальном анализе закономерностей распространения естественных ресурсов по модульным значениям, на Тамаракском месторождении рассматривались все возможные факторы, оказывающие влияние на их формирование. Процесс выполненных исследований условно можно разделить на три этапа: 1) анализ форм рельефа земной поверхности (морфометрический метод), 2) интерпретация гидрометрических данных, 3) обработка результатов методом математической статистики для выявления закономерностей формирования стока.

Изучение основных форм рельефа и его составляющих с установлением гипсометрического положения водосборов проводился с использованием морфометрического анализа по методике В.П. Философова. В результате для района были определены: иерархия речных долин; площади водосборов; длины основных водотоков; максимальные, минимальные и среднеплощадные высоты; уклоны русел водосборов. Основные морфометрические показатели представлены в таблице 1.

Все реки имеют типично горный характер. Средняя высота долин колеблется от 375 до 575 м, уклон русел рек лежит в пределах 0,02-0,09,' площади речных бассейнов в районе изменяются от 9 до 19 км2. Наибольшие уклоны имеют водосборы рек Темный Тамарак и Большой Тамарак, что объясняется их приуроченностью к зоне сочленения Витимо-Патомского нагорья с Тамаракской депрессией.

Модульные характеристики подземного стока определялись с помощью полевых гидрометрических исследований. Для получения их значений были проведены исследования по 26 створам (Таблица 2).

Как следует из представленных данных, наибольшие модули

Л О^^сМ.____ £

Рисунок 1 - Схема основных геоморфологических элементов Витимо-Патомского нагорья (по материалам А.Г. Золоторева): 1 - Витимо-Патомское нагорье: среднегорный рельеф (300-1000 м); 2 -Тамаракская депрессия: среднегорный рельеф (250-700 м); 3 - Чая-Витимское нагорье: высокогорный и среднегорный рельеф (1000-1500 м); 4 - Чуя-Жуинская депрессия (краевое поднятие): среднегорный и низкогорный рельеф (200-450 м); 5 - тектонические разломы; 6 - реки; 7 - контуры района Тамаракского месторождения подземных вод.

ЕЗ' 33г ЕЗИ5 □□» Е-^* СЗШ™ ЕЕЗм

' ] I! ] 13

Рисунок 3 - Омирования подземного стока в районе Тамаракского мия подземных вод: 1 - гравийно-галечниковые от^счаным заполнителем, 2 - кристаллические сланцы и алевро^аниты, 4 - направление потока грунтовых вод, 5 - разгруяых вод, 6 - атмосферные осадки, 7 -испарение, 8 - и родник, 9 -граница ММП, 10 - потери речного стока, 11 грунтовых вод, 12 - трещины, 13 - контуры месторождения, )о-талый слой. (Обозначение у поисковых скважин см. на ри

а

Уеювн ые обознач ен и я

1 На карте

1.1. Гидрогеологические подразделения Водоносный горизонт современных аллювиальных отложений пойм рек.

Водоносная зона трещиноватости палеозойских магматических пород.

Локально водоносная зона трещиноватости протерозойских метаморфических пород.

1.2. Водопункты

Гидрогеологическая скважина. Вверху: помер и индекс водовмещающих порол. Цифры слева: в числителе-дебит, л/с: в знаменателе-пониженпе уровня воды, м. Цифры справа: в чиспителе-миперализания подземных вод. г/л; в зиаменателе-глубииа залегания уровня воды, м. Примечание: окраска соответствует химическому составу воды: Гидрокарбонат н ы й; Ги дрокарбонатно-сул ьфа гн ы й

1.3. 11ромие условные обозначения

Линия геолого-гидрогеологического разреза

Границы распространения многолстнсмсрзлых пород

Тектонические нарушения Гидроизогипсы

2. На разрезе 2.1. Литология

Валуны, гравийно-галечниковые отложения, песок, супесь

Метаморфизованные алевролиты, кристаллические сланцы

150

Граниты

Ч V1-

Трещины 2.2. Водопункты

ЗРЯ

| |»280.0 Поисковая скважина. Вверху - номер и У индекс водовмещающих пород. Цифры: у знака - абсолютная отметка уровня подземных вод. м, внизу - глубина скважины, м. 100 2.3. Прочие обозначения

------Уровень подземных вод

Рисунок 2 - Схематическая рогеологическая карта района Тамаракского месторождения

'25/144

12а/10

24/139

420/250

.23/202

>2/949

18/264

17/173

>3/49

р. Каменный ^2/2

-••...>1/3

500 м 0 500 1000 1500 2000 м

Шкала модулей естественных ресурсов подземных вод, л/(схкм)

0 13 6 9

11111

Шкала линейных модулей подземного стока, л/(схкм) 20 Ю 5 0 0 -50 -100

-200

Разгрузка подземных вод в реку

Потеря речного стока

В и т и м

Условные обозначения

Водоносный горизонт четвертичных отложений комплекса надпойменных террас Водоносная зона трещиноватости палеозойских магматических образований Локально водоносная юна трещиноватое™ протерозойских метаморфизованных образований

Гидрометрический створ. Цифры: номер створа и расход, приведенный к среднемноголетнему значению 95% обеспеченности . •' Контур водосборного бассейна

Рисунок 4 - Схема распространения модульных характеристик района Тамаракского месторождения

2/2 /

Таблица 1 - Морфометрические характеристик речной сети Витим

Номер водотока "г и ел 2 X Абсолютные отметки рельефа, м Превышение, м 1 Морфометрические характеристики рельефа, м

гшп тах ср. БП2 БП3 ОР2 ОР3

1 16 8,6 250 900 575 650 0,05 250-450 400-650 50-200 50-300

2 10 7,7 240 840 540 600 0,03 250-450 400-650 50- 200 50-200

3 9 6,6 240 850 545 709 0,02 250-450 400-650 50-200 50-150

4 17 6,2 242 550 396 308 0,04 250-500 400-600 50-150 50-200

5 11 4,7 280 640 460 360 0,09 300-500 450-500 50-150 -

6 19 3,8 250 500 375 250 0,08 300-450 400-450 50-150 -

Примечания: БП2, БП3 - базисные поверхности 2-го и 3-го порядков; 0Р2, 0Р3 -остаточный рельеф 2-го и 3-го порядков; Б - площадь водосбора; 1 - длинна водотока; I - уклон. Номера водотоков: 1- Первый Александров: 2 - Второй Александров; 3 - Третий Александров; 4 - Безымянка; 5 - Темный Тамарак; 6 -Большой Тамарак.

Таблица 2 - Модульные характеристики подземного стока района Тамаракского месторождения_

Система р. Витима

Первый Александров Второй Александров Третий Александров Безымянка Темный Тамарак Большой Тамарак

Линейный модуль подземного стока, л/(с*км)

12,5 13,5 17,5 52 129 17

Модуль естественных ресурсов подземного стока, л/(схкм2)

2,4 4,5 | 2,8 | 5,9 7,6 5,8

Таблица 3 - Корреляционная матрица зависимости модулей стоков от морфометрических параметров рельефа _

s min max пр. 1 i бп2 бп3 ОР2 ОРз м.л. м.е.р.

S 1.0 0,7 -0,1 0,5 0,7 -0,1 0,2 0,1 0.2 -0,1 0,4 0,5

min 0,7 1,0 0,3 0,3 0,9 0,3 0,5 -0,3 -0,1 0.3 0.4 -0,3

max -0.1 0,3 1,0 -0,5 0.4 0,6 0,2 -0,1 -0,3 0.8 0,9 -0,5

пр. 0.5 0,3 -0,5 1,0 0,2 -0.1 0.1 -0.4 0,1 -0,4 -0,4 0,4

1 0,7 0,9 0.4 0,2 1,0 0,3 0.5 -0,3 -0,1 0,4 0,4 0,4

i -0.1 0.3 0,6 -0,1 0,3 1,0 0,2 -0,2 -0,4 0,5 0,6 0,7

бп2 0,2 0,5 0,2 0,1 0,5 0,2 1,0 -0,1 -0,3 0.1 0,2 0,7

бп3 0,1 -0,3 -0,1 -0,4 -0.3 -0,2 -0.1 1,0 -0,2 -0.5 -0.4 0,2

ОР2 0,2 -0.1 -0,3 0,1 -0.1 -0.4 -0.3 -0,2 1,0 0.1 -0,2 0,6

ОРз -0,1 0,3 0,8 -0,4 0.4 0,5 0,1 -0,5 0.1 1,0 0.9 -0.4

м.л. 0,4 0.4 0,9 -0.4 0.4 0,6 0,2 -0.4 -0.2 0,9 1,0 0,6

м.е.р. 0,5 -0,3 -0,5 0,4 0.4 0,7 0,4 0,2 0,6 -0.4 0,6 1,0

s - площадь водосбора, min, max, - минимальные и максимальные абсолютные отметки рельефа, пр. - превышение, 1, i, БП2, БП 3, ОР2, ОР3, - (см. таблицу 1), М.л. -линейный модуль стока, М. е.р. - модуль естественных ресурсов.

Рисунок 6 - Схема интенсивности инфильтрационного питания района Тамаракского месторождения

естественных ресурсов составляют 5,9-7,6 л/(схкм2), линейные модули стоков - 52-129 л/(с><км) и приходятся на бассейны рек Темный Тамарак и Безымянка. Для этих же рек характерны наибольшие значения уклонов русел водотоков, площадей водосборных бассейнов и высотных отметок.

Зависимость гидрологических и модульных характеристик от морфометрических параметров рельефа подтверждаются результатами корреляционного анализа, проведенного с применением программного обеспечения Excel и пакета STATISTIKA 7 (Таблица 3). Установлены высокие положительные связи между модульными характеристиками стока и уклонами водосборных бассейнов, модулями естественных ресурсов и площадями водосборов, примером могут служить pp. Темный Тамарак и Безымянка. Отрицательная связь прослеживается между абсолютными отметками рельефа и длинами водотоков.

На основе определенных модулей естественных ресурсов и линейных модулей стока составлена схема районирования Тамаракского месторождения (Рисунок 4).

Разгрузка подземных вод на участках малых рек и ручьев наблюдалась в объемах от 500 до 3000 м3/сут. Максимальные величины прослежены на участках долин рек Безымянка -2000 м3/сут на двухкилометровом отрезке, и Темный Тамарак -3000 м3/сут на отрезке длиной 2,4 км, при этом линейные модули разгрузки подземных вод изменялись в незначительных пределах от 10 до 17 л/(схкм).

Значения модулей естественных ресурсов подземных вод в районах развития протерозойских метаморфических пород находятся в пределах от 0,8 до 5,9 л/(схкм2). В долине р. Большой Тамарак на протяжении 1,2 км выявлен аномальный участок с высоким поглощением поверхностного стока, составляющим 17100 м3/сут.

В поле распространения водоносной зоны трещиноватости палеозойских магматических пород зафиксирована разгрузка подземных вод, расход которой составил 12870 м3/сут. Модуль естественных ресурсов подземных вод на этом участке составляет 7,6 л/(схкм2).

В области распространения водоносного горизонта четвертичных аллювиальных отложений разгрузка подземных вод в водотоки не наблюдалось. Прослежено поглощение стока р. Безымянка и р. Третий Александров. В долине р. Безымянка потеря стока составила около 34% (7430 м3/сут), в долине р. Третий Александров - 1210м3/сут, что сопоставимо с возможностью поглощения воды песчано-гравийно-галечниковыми отложениями надпойменной террасы р. Витима.

Построенная схема распределения модулей стока позволяет обоснованно разместить эксплуатационные участки при освоении Тамаракского месторождения подземных вод.

2. Основной балансовой составляющей естественных ресурсов подземных вод, обеспечивающих запасы Тамаракского месторояадения, является инфильтрационное питание поверхностными водами, при этом максимальные ресурсы подземных вод локализуются в тальвегах долин в пределах сквозных таликов, приуроченных к обводненным зонам разрывных дислокаций.

Количественная оценка естественных ресурсов основана на балансовых составляющих питания подземных вод, которые для района Тамаракского месторождения обеспечиваются потерями речного стока и инфильтрацией атмосферных осадков. Поэтому общее балансовое уравнение выглядит следующим образом:

<2У+(^+ОР=(2К+Рет, (1)

Приходные статьи баланса формируются за счет фильтрационных потерь поверхностных водотоков (С)у) и площадного питания за счет инфильтрации атмосферных осадков (С2у/), а также перетекания из смежных водоносных горизонтов и зон трещиноватости (С)р). Расходная часть баланса включает разгрузку подземных вод в поверхностные водотоки (С)к) и испарение с зеркала грунтовых вод (С>ЕТ).

Результаты оценки составляющих баланса подземных вод приведены в таблице 4, из которой следует, что 85% основного инфильтрационного питания подземных вод Тамаракского месторождения приходится на поглощение поверхностного стока.

В связи с особенностями геокриологических условий района

инфильтрация атмосферных осадков происходит лишь в пределах Таблица 4 - Элементы баланса подземных вод района Тамаракского месторождения_

Статья бала нса Составляющая баланса, м3/сутки (%) Итого

л н о Фильтрация поверхностных вод Инф. атм. осадков Перетекание

т « о X Б. Тамарак Безымянка Остальные реки 4010 617 30367

X а. С 17100 (57 %) 7430 (24 %) 1210 (4 %) (13 %) (2%) (100 %)

л Разгрузка рек

о а т к а я Б. Тамарак Т. Тамарак Остальные реки Испарение с зеркала грунтовых вод 28819 (100 %)

О X и сз ¡X 12810 (45 %) 4000 (13 %) 9992 (35 %) 2017 (7 %)

развития пойменных таликов и практически полностью отсутствует в зоне распространения ММП. Этот факт подтверждается данными ранее проведенных гидрогеологических работ и анализом результатов геофизических исследований (по материалам ИТЦГМГС).

Оценка среднемноголетней величины инфильтрационного питания проведена по методу H.H. Биндемана, в основе которого лежит определение его доли в приходной части баланса по режимным наблюдениям за уровнем подземных вод в скважинах.

Для получения параметров инфильтрационного питания на Тамаракском месторождении построены графики изменения уровней подземных вод в 5-ти скважинах, расположенных в устьях крупных водотоков, и приуроченных к зонам тектонической трещиноватости (Рисунок 5). С использованием графиков расчетным методом получены значения инфильтрационного питания W и коэффициента инфильтрации kw (Таблица 5).

4Ь и:

0,6 0,65 0,47 0.35 036 0,43

Рисунок 5 - График многолетнего уровня грунтовых вод по наблюдательной скважине

ДЬ - подъем уровня за время Д1:; Дг - величина, на которую уровень подземных вод снизился за время Д1:.

Таблица 5 - Основные характеристики инфильтрационного питания в

районе ТМПВ

№ скв. АЬ„ А.О. уровня воды, м Инфильтрация,

шах ппп м/сутких 10"4 мм/год

1 2 3 4 5 6

Скв.1 0,0330 251,5 250,7 3 212,6

0,0037 251,6 250,5 4 131,4

0,0038 251,7 250,9 4 139,0

Скв. 2 0,0028 265,9 265,3 6 222,0

0,0030 265,9 265,4 5 191,0

0,0026 265,9 265,4 5 191,0

Скв.З 0,0040 280,7 279,8 4 156,4

0,0029 280,7 280,0 3 106,4

0,0050 280,9 279,6 5 197,7

Скв.5 0,0030 280,7 279,8 4 156,4

0,0025 280,7 280,0 3 106,4

0,0027 280,9 279,6 5 197,7

1 2 3 4 5 6

0,0083 246,5 244,3 8 304,2

Скв.1а 0,0093 246,6 244,1 9 337,9

0,0100 246,7 244,3 10 365,0

Ahn - изменение уровня воды в скважине за время t; W -инфильтрационное питание.

Анализ результатов показывает, что зоны максимальной инфильтрации в районе Тамаракского месторождения, приуроченные к сквозным таликовым участкам, характеризуются следующими показателями: перепады уровня подземных вод в летний и зимний период не превышают 2,5 м, инфильтрационное питание исследуемой территории составляет 106,4 - 365 мм/год, коэффициент инфильтрации варьирует от 1,39 до 4,69. По полученным данным построена схема интенсивности инфильтрационного питания с учетом геокриологических условий (Рисунок 6). Сочетания природных факторов обусловливают значительные различия величин инфильтрационного питания.

В целом, в исследуемом районе оно изменяется в широких пределах: от 0,1 хЮ"4 м/сут в зонах распространения ММП до 1х103м/сут в зонах сквозных таликов. Наибольшее питание наблюдается в долинах рек Темный Тамарак и Большой Тамарак (6x10"4 м/сут) и р. Безымянка (1х10~3 м/сут). Это связано с расположением их в наиболее активной зоне трещиноватости горных пород в области сочленения Тамаракской депрессии и Витимо-Патомского нагорья.

Результаты выполненных исследований показывают, что в районе Тамаракского месторождения основные объемы естественных ресурсов подземных вод формируются в зонах сквозных таликов в тальвегах долин рек Темный Тамарак, Большой Тамарак и Безымянка за счет инфильтрации поверхностного стока.

3. Разработанная численная геофильтрационная модель, учитывая разный вклад балансовых составляющих, позволяет составить прогноз обеспеченности Тамаракского месторождения подземными водами.

Результаты выполненных исследований и разработанный методический подход к оценке закономерностей формирования естественных ресурсов подземных вод в геолого-структурных и

мерзлотно-гидрогеологических условиях исследуемого района положены в основу создания численной геофильтрационной модели района Тамаракского месторождения, разработанной с применением программного комплекса Processing Modflow.

При составлении модели использовались карты масштаба 1:50 000. Размеры основного блока приняты 200x200 м, количество блоков по оси X - 66 (широта), по оси Y - 33 (долгота).

На модели в стационарном режиме производилась схематизация гидрогеологических условий. Основное внимание уделялось четвертичному водоносному горизонту и перспективной водоносной зоне трещиноватости в протерозойских образованиях вследствие отсутствия полевых геофильтрационных данных по палеозойским породам. Поэтому геофильтрационная схема представлена в виде двухслойной модели: верхний слой (гравийно-галечниковые отложения с песчаным заполнителем) имеет мощность до 14 м и рассматривается как горизонт с меньшей водопроводимостью; нижний слой (алевролиты и кристаллические сланцы) мощностью до 75 м, рассматривается как зона с большей водопроводимостью.

Гидродинамические границы задавались в соответствии с общими геолого-гидрогеологическими условиями. Внешней границей модели является река Витим, протягивающаяся с северо-востока на юго-запад, и принятая в качестве граничного условия 1-го рода (H=const). Внутренними гидрогеологическими границами являются поверхностные водотоки. Для более точного решения задачи были определены условия Ш-го рода. Выделение таких границ дает возможность рассматривать реки как питающими, так и дренирующими водоносными подразделениями. Этот фактор является важным для исследуемого района в связи со сменой режимов воздействия подземных и поверхностных вод, связанных с особенностями условий питания. Для создания водозаборных скважин, расположенных в пределах Тамаракского месторождения, учитывались границы И-го рода.

Заданные на модели коэффициенты фильтрации изменяются от 0,02 до 3 м/сут в соответствии с результатами проведенных гидрогеологических работ. Напор был задан на основании карт

гидроизогипс.

Неравномерное распределение инфильтрационного питания задано с учетом климатических, структурно-гидрогеологических и мерзлотных особенностей территории, поскольку они играют ведущую роль в формировании естественных ресурсов.

Калибрация модели сводилась к решению обратной задачи, заключающейся в уточнении значений коэффициентов фильтрации, величин инфильтрации и сопоставления расчетных напоров и расходов с реальными значениями (Таблица 6). Увязка в распределении напоров не превышает 0,5 м.

Таблица 6 - Сопоставление фактических уровней подземных вод с модельными _

Номер Координаты А.О. А.О.

№. скв блока блока фактического моделируемого

X У X У уровня ПВ, м уровня ПВ, м

1 16 47 2707 2064 251,4 251,6

2 76 37 10009 3063 266,9 266,3

3 84 32 10831 3591 281,4 280,9

4 87 41 11127 2646 248,5 248,7

5 30 40 4637 2789 248,8 248,8

6 75 49 9954 1866 239,3 239,3

По результатам моделирования получен итоговый баланс подземных вод Тамаракского месторождения (Таблица 7), откуда видно, что приходная часть баланса формируется за счет привлечения речного стока, инфильтрационного питания и упругих запасов, а расходная - за счет разгрузки подземных вод в водотоки.

Таблица 7 - Баланс геофильтрационной модели в естественных условиях_

Составляющие баланса Приходная часть, м3/сут Расходная часть, м3/сут

Привлечение речного стока 25436 30507

Инфильтрационное питание 3978 -

Упругие запасы 612 -

ИТОГО 30026 30507

Погрешность -0,2%

Общий баланс модели составляет более 30000 м3/сут. При суммарном дебите водозабора 4000 м3/сут запасы считаются обеспеченными, так как модельное понижение (8„0Дел) подземных вод в скважинах не превышает его допустимого значения (8Д0П) (Таблица 8).

Таблица 8 - Прогнозная оценка обеспеченности

№ скв. (2, м3/сут 5доп.> М ^модел.» М

1 400 18 12

2 500 20 15

3 1000 24 18

4 1000 24 18

5 500 22 14

6 600 22 13

Таким образом, разработанная геофильтрационная математическая имитационная модель, адаптированная под природные особенности района Тамаракского месторождения подземных вод, может служить надежным обоснованием прогнозной оценки естественных ресурсов и их обеспеченности, а также базой для определения устойчивого режима освоения месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы по результатам работы и задачи дальнейших исследований:

1. Формирование подземного стока исследуемого региона происходит под влиянием различных природных факторов, определяющих условия питания, распределения и разгрузки подземных вод. Выявлено, что основной балансовой составляющей естественных ресурсов в регионе является инфильтрация поверхностных вод. Проведена оценка инфильтрационного питания подземных вод в районе со сложными геолого-структурными и мерзлотно-гидрогеологическими условиями.

2. Морфометрический метод позволил установить закономерности распределения подземного и поверхностного стока, направления движения подземных вод, мощности зон дренирования.

3. Определены условия разгрузки подземных вод в

поверхностные водотоки и зоны поглощения речных вод сквозными таликами. По результатам выполненных гидрометрических исследований получены численные характеристики подземного стока, дренируемого реками.

4. Установлены закономерности формирования естественных ресурсов подземных вод в сложных природных условиях района Тамаракского месторождения, выявленного для организации водоснабжения г. Бодайбо. Установлена зависимость количества естественных ресурсов подземных вод от факторов, определяющих их формирование; выявлены ведущие факторы аккумуляции подземного стока в условиях развития разрывных дислокаций и распространения многолетнемерзлых пород.

5. Разработана геофильтрационная математическая модель Тамаракского месторождения подземных вод для прогнозной оценки его обеспеченности естественными ресурсами - основным выявленным источником формирования эксплуатационных запасов, а также для определения оптимального режима его эксплуатации.

6. Изложенный в диссертации материал служит алгоритмом устойчивого обеспечения кондиционными подземными водами, прежде всего, г. Бодайбо, а также может использоваться при организации водоснабжения других объектов, находящихся в аналогичных мерзлотно-гидрогеологических условиях севера Восточной Сибири.

7. Задачи и перспективы дальнейших исследований:

продолжение гидрогеологических исследований на месторождении с целью установления соответствия режима эксплуатации прогнозным расчетам, верификации разработанной модели, а также получения возможности перевода предварительно оцененных запасов подземных вод в промышленные категории;

- применение предложенного научно-методического подхода к изучению условий формирования, распределения и оценке естественных ресурсов подземных вод с целью обоснования перспективных площадей и успешного осуществления поисково-разведочных работ в пределах смежных мерзлотно-гидрогеологических структур региона.

Основные положения работы опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК Министерством образования и науки РФ

1. Гребнева. А.В. Воздействие современных тектонических движений на условия формирования подземных вод // Вестник ИрГТУ №11. Иркутск, 2013. - С. 81-86.

2. Гребнева. А.В. Установление корреляционной зависимости подземных и поверхностных вод со структурами земной коры // Вестник ИрГТУ №4. Иркутск, 2014. - С. 50-54.

Публикации в иностранных изданиях

3. Grebneva A.V. Impact of modem tectonic movements at condition of groundwater / A.V. Grebneva // Scientifïc Issues. Volume 1, Freiberg, 2013.-C. 1-4.

Другие печатные издания

4. Гребнева А.В. Использование геоморфологического метода для оценки неотектонических движений на примере Тамаракского месторождения подземных вод / В.В. Антонов, А.В. Гребнева // Гидрогеология и карстоведение. В.19. Пермь-Оренбург 2013. - С. 46-51.

5. Гребнева. А.В. Взаимодействие подземных вод с неотектоническими структурами с применением анализа «Морфографии речных долин» / А.В. Гребнева // Сборник научных трудов «Сергеевские чтения» Выпуск 15. Москва 2013. - С. 118-123.

РИЦ Горного университета. 24.12.2014. 3.924. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2