CC BY
44
------------------------------------------ © Б.А Бачурин, А.А. Борисов,
2010
УДК 550.8:622.363.2
Б.А. Бачурин, А.А. Борисов
ГАЗОГЕОХИМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ КАК МЕТОД КОНТРОЛЯ ЗА РАЗВИТИЕМ АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ НА БКПРУ-1 *
Приведены результаты газохимического исследования района аварийной ситуации на руднике БКПРУ-1. Обосновано использование при газохимических исследованиях современного поколения высокочувствительных экспресс-газоанализаторов Ключевые слова: газохимическое зондирование, калийные соли, газовая съемка, метан
Семинар № 9
Открытие академиком В.И. Вернадским явления газового обмена земной коры1 с атмосферой, названное им «газовыш дыханием Земли», послужило теоретической основой использования различных модификаций поверхностных газовыгс съемок для решения широкого спектра геологических задач. Получила практическую апробацию для картирования разрывных нарушений и зон повышенной трещиноватости осадочного чехла водная гелиевая съемка с использованием портативного прецизионного экс-пресс-ана-лизатора конструкции ИНГЕМ. Доказана возможность использования содержания радона в подпочвенном и шахтном воздухе как индикатора наличия тек-тонически-активных зон и при контроле изменения напряженно-
деформированного состояния горного массива [4]. Широкое применение получили различные модификации газовой съемки для поисков и разведки нефтяных и газовых месторождений.
Проведенные исследования показали, что газы литосферы, являющиеся наиболее мобильным ее компонентом, несут важнейшую информацию о состоянии геологической среды и происходящих в
ней природных и природно-техногенных процессах. При этом приповерхностный газовый фон является довольно чутким индикатором интенсивности восходящего массопереноса пластовых флюидов по различного рода гидрогеологическим «окнам» - зоны повышенной проницаемости осадочного чехла отражаются высококонтрастными газовыми аномалиями как в приповерхностных почво-грунтах, выступающих в качестве депонирующей среды, накапливающей миграционные компоненты, так и в подпочвенном воздухе [2]. В качестве индикаторов данных процессов возможно использование как инертных газов радиогенного происхождения (гелий, радон), так и углеводородных газов. Последние особенно информативны в случае наличия в недрах мощных источников углеводородов - залежей нефти и газа, метанонасыщенных угольных и калийных пластов.
Первые попытки внедрения газогеохимических методов в комплекс геолого-геофизических исследований на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) относятся к 1988-89 гг., когда после затопления рудника БКРУ-3 стала очевидным не-
*Исследования вышолнены при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Пермского края (проект 07-05-97607-р_офи).
обходимость детального изучения
строения надсолевой части разреза и выявления различного рода геологических неоднородностей в водозащитной толще, представляющих потенциальную угрозу для возможного нарушения ее герметичности. В качестве газов-индикаторов наличия подобных зон повышенной проницаемости рассматривался гелий и аргон [1, 3, 4]. Использование последнего базировалось на повышенном содержании в газах калийных пластов радиогенного изотопа аргон-40, являющегося продуктом распада калий-40. Считалось, что инертность данных компонентов позволяет им легко высвобождаться из массива калийных солей и диффундировать в вышележащую часть разреза, в том числе через зоны повышенной проницаемости водозащитной толщи. Вместе с тем, бурение специальных скважин в районе аварийной ситуации показало, что растворение соляного массива сопровождается значительными масштабами выделения и других газов - в зафиксированных в процессе их проходки газопроявлениях из надсолевой части разреза установлено повышенное содержание метана (до 20 %) и водорода. Это послужило основой комплексирования водной гелий-аргоновой съемки с изучением углеводородных компонентов (метан и его гомологи) водорастворенных и сорбированных газов. Опытно-
методические работы, проведенные в пределах затопленного рудника БКРУ-3 и шахтного поля БКЗ-4, показали, что приповерхностный газовый фон достаточно чутко отражает наличие зон повышенной проницаемости надсолевой части разреза и активизацию процессов вертикального массопереноса газовых компонентов, образующихся за счет выщелачивания соляной толщи [1,2].
Несмотря на полученные результаты, свидетельствующие о принципиальной возможности использования различных модификаций газовой съемки для уточнения особенностей строения водозащитной толщи и характера ее техногенной трансформации, внедрение этих методов в комплекс производственных геолого-гео-физических исследований на Верхнекамском месторождении не произошло. Во многом это было обусловлено высокой трудоемкостью и затратами на реализацию предложенной методики гидрогазогеохимических исследований - необходимостью бурения специальных скважин до вскрытия выдержанных водоносных горизонтов, применения специальных герметизированных пробоотборников для отбора проб водорастворенного газа, масс-спектрометрического определения изотопного состава гелия и аргона. В меньшей степени это было характерно для грунтовой газовой съемки, методика которой предусматривала герметизацию отобранных проб почво-грунтов, их доставку в лабораторию для дегазации и хроматографического анализа. Основное сомнение в практическом применении данного варианта газогеохимических исследований связывалось с трудностями достоверного выделения «полезного сигнала» (миграционных газов-индикаторов) на фоне сингенетичного газового фона приповерхностной части разреза.
С целью совершенствования методики газогеохимического зондирования при решении горно-геологических задач в Горном институте УрО РАН в последние годы была апробирована «легкая» модификация газовой съемки, основанная на изучении состава подпочвенного газа с использованием высокочувствительного экспресс-газоана-лизатора Ecoprobe-5 (производство фирмы RS DINAMICS Ltd, Чехия). Измерительными элементами
данного прибора являются фотоиониза-ционный (ФИД) и инфракрасный (ИК) датчики. Процесс анализа состава газа, откачиваемого насосом из шпуров глубиной 0.5-0.8 м, происходит раздельно в каждом датчике. ФИД-датчик обладает чувствительностью 0,0001 ppm и измеряет суммарную концентрацию летучих органических соединений (ЛОС). Перечень данных соединений включает более 150 веществ, в т.ч. алканы ряда С4-Сц, алкены С2-С6, низкомолекулярные арены (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы), широкий спектр неуглеводородных соединений (органические кислоты, спирты, эфиры, хлорированные углеводороды, азот- и сераорганические структуры). ИК-датчик позволяет фиксировать по отдельным каналам с чувствительностью 20 ppm (0,002%) концентрацию метана, суммарного содержания углеводородов С1-С5, концентрацию диоксида углерода (СО2). Измерительный процесс в приборе построен таким образом, что замер концентрации компонентов происходит дифференцированно по мере поступлении подпочвенного газа, т.е. фиксируется концентрация в каждую единицу времени, а по окончании замера вычисляется среднее значение. Это позволяет выводить результаты исследований в двух режимах: среднее значение концентрации, вычисленное по результатам обработки динамики изменения показателя (Сср), и максимальное значение концентрации, зафиксированное во временном
/лтахч
интервале проведения замера (С ).
Опытно-методические работы на объектах Пермского Прикамья, в т.ч. в пределах ВКМКС, показали, что технические характеристики газоанализатора Ecoprobe-5 позволяют выявлять высококонтрастные газовые аномалии «раз-ломного» типа, отражающие наличие
зон повышенной проницаемости осадочного чехла [3]. Сопоставление результатов атмо- и литогазогеохимических исследований показало, что свободные (подпочвенный воздух) и сорбированные в почво-грунтах газы формируют территориально сопряженные генетически связанные аномалии, отражающие поступление миграционных компонентов из нижележащей части разреза. При этом, рассеянные в подпочвенном воздухе газы отражают относительно «свежее» поступление миграционных компонентов, а сорбированные - кумулятивный эффект их накопления в почво-грунтах, играющих роль сорбционного геохимического барьера. В связи с этим, комплексирова-ние данных разновидностей газовых съемок позволяет с определенной степенью достоверности судить о времени формирования газовых аномалий и динамике процессов вертикального массопереноса миграционных компонентов.
Полученные результаты позволили предложить данную методику газогеохимического зондирования для получения дополнительной информации о характере процессов, происходящих в геологической среде района аварийной ситуации на БКПРУ-1. В октябре 2006 г. на данном руднике было зафиксировано поступление в горные выработки минерализованных вод, по гидрогеохимическим показателям соответствующим надсолевой части разреза. Проведенными геолого-геофизическими наблюдениями зона предполагаемого нарушения водозащитной толщи прогнозировалась северо-западнее солеразведочной скважины № 17, где зафиксировано аномальное строение надсолевой части разреза. Маркшейдерскими наблюдениями в этой зоне было зафиксировано увеличение скоростей оседаний земной поверхности.
№ пикета CH441, % объем. по Ecoprobe-5 Содержание, % объем.
СН4 С3Н8 С4Н8 СО2 Н2
52 0,6357 0,0101 0,0001 0,0015 0,3023 0,0011
145 0,1197 0,0756 0,0001 0,0011 0,7252 0,0025
175 0,1052 0,1184 0,0001 0,0005 1,2090 0,0053
233 0,5016 0,1369 0,0001 0,0003 1,5153 0,0092
251 0,00001 0,0020 отс. отс. 0,2740 отс.
Исxодя из результатов ранее прове-денньгс в пределax ВКМКС гaзогеоxими-ческиx исследований, в качестве основного параметра, отражающего процессы выщелачивания соленосной толщи, был принят метан, являющийся основным компонентом сорбированные данными отложениями газов и обладающий наиболее высокой миграционной способностью. Контрольное опробование участков, удаленные от зоны аварийной ситуации, показало, что средние фоновые концентрации метана в составе подпочвенного воздyxa редко превышают 100 ppm.
Первые гaзогеоxимические исследования, проведенные в октябре 2006 г., показали полное отсутствие мигрaционныx компонентов в составе подпочвенного газа. Однако уже в апреле 2007 г. на территории мульды оседания было зафиксировано появление в подпочвенном воздyxе метана в количествax до 634-4773 ppm (0,063-0,477 % объем.). Контрольный xромaтогрaфический анализ подтвердил наличие в составе состава подпочвенного воздyxa углеводородный компонентов (таблица). Кроме того, в его составе было зафиксировано присутствие водорода (0,0012-0,0016 %), что подтверждало предположение о глубинном происxож-дении выявленный газовый аномалий.
Некоторое различие между концентрациями, фиксируемыми экспресс-газоанализатором Ecoprobe-5, и xромaто-
графическим анализом отобранные проб подпочвенного воздуха объясняются условиями проведения замеров и отбора проб. Если экспресс-газоанали-затор фиксирует ИК-детектором фактическое интегральное содержание метана в момент проxождения прокачиваемого газа через прибор, то на xромaтогрaфический анализ отбирается усредненная проба, степень разбавления воздухом которой неизвестна.
Последующее гaзогеоxимическое опробование показало как увеличение частоты встречаемости метана в подпочвенном воздyxе, так и его концентрации (до 20000-60000 ppm), что однозначно свидетельствовало об активизации процессов выщелачивания соляный пород с высвобождением из нж газов (рис. 1).
Зафиксировано и расширение зоны распространения высока концентраций метана в подпочвенном воздухе, связанное, по всей вероятности, с рассеянием миграционные: компонентов в приповерx-ностной части разреза водами зоны активного водообмена (рис. 2).
К июлю 2007 г. сформировалось две зоны наиболее интенсивныx газовый аномалий, xaрaктеризyющиxся повышенным содержанием метана в подпочвенном воз-дyxе: на северо-востоке опробованной тер-
max
ритории южнее здания «сушки» (СН4 до 63185 ppm), и на
31.05.07
24.07.07
14.08.07
05.09.07
Рис. 1. Гистограммы концентраций метана в подпочвенном воздухе в районе аварийной ситуации на БКПРУ-1
территории, расположенной севернее здания техсоли (CH4max до 2278 ppm) (рис. 3). Формирование последней аномалии зафиксировано только в июле-месяце и совпало с периодом увеличения в данной зоне скорости оседания земной поверхности.
С целью уточнения генезиса этих аномалий в их пределах осуществлен отбор проб почво-грунтов для исследования состава сорбированных газов. Результаты исследований показали, что при содержании метана в большинстве проб не превышающем 0,066 %, в данных зонах его концентрация достигала «ураганных» значений - 7,45-20,56% объем. (рис. 3).
Полученные результаты позволили сделать вывод о наличии в данных зонах условий для интенсивного поступления метана в приповерхностную часть разреза, связанных, по всей вероятности, с участками повышенной трещиноватости надсолевой части разреза, сопряженных
с зонами выщелачивания соленосных отложений. 28 июля 2007 г. в пределах южной аномалии произошло внезапное обрушение надсолевых горных пород в карстовую полость, сформированную в результате растворения солей подземными водами. Дальнейшее развитие провальной воронки происходило преимущественно в северо-восточном направлении в сторону газовой аномалии, выделенной южнее здания «сушки» (см. рис. 3), что подтверждает сделанные прогнозы.
Естественно, столь колоссальные масштабы трансформации геологической среды привели к изменению приповерхностного газового поля. Формирование провала способствовало дегазации горного массива и разгрузке выделяющихся при растворении солей газов через провальную воронку. Это привело к значительному снижению концентраций метана в подпочвенном воздухе вплоть до его полного исчезновения в ноябре 2007 г.
