CC BY
22
УДК 504.4.054+553.9:571.62
© И. А. Тарасенко, А.В. Зиньков, 2014
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РАЙОНАХ ЛИКВИДИРОВАННЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПРИМОРСКОГО КРАЯ И САХАЛИНСКОЙ ОБЛАСТИ*
Рассмотрены особенности химического состава подземных вод в районах ликвидированных угольных шахт Приморья и Сахалина. Процессы, происходящие в результате затопления угольных шахт, сопровождаются увеличением концентраций растворенных веществ и изменением химического состава вод техногенного комплекса. Их геохимическая специфика закладывается в области питания и трансформируется в направлении фильтрационного потока по схеме: НСО—Са ^ НСО—Ыа ^ НСО—ЗО—Ыа ^ 80—Ма. Техногенные воды, формирующиеся в природно-техногенных структурах ликвидированных угольных шахт, насыщены различными силикатами, карбонатами, сульфатами, оксидами, гидроксидами. Этот факт обязательно следует учитывать при разработке технологии очистки подземных вод. Ключевые слова: подземные воды, ликвидированные угольные шахты, условия формирования, загрязнение подземных и поверхностных вод
Введение. Реструктуризация угольной отрасли, проведенная в исторически короткие сроки (1993-2005 гг.), привела к массовому закрытию шахт. Практически полностью ликвидирована подземная добыча угля в Приморском крае (работает одна шахта «Липовецкая») и в Сахалинской области (работают две шахты -«Долинская» и «Ударновская»).
Закрытие угольных шахт преимущественно осуществляется методом «мокрой» ликвидации, при котором водоотлив прекращается и горнодобывающие предприятия, десятилетия осушавшие огромные прилегающие пространства, затапливаются до уровня естественных отметок зеркала подземных вод. В результате про-
* В полевых и лабораторных работах принимали участие сотрудники научно-производственного отдела ОАО «ДальвостНИИпроектуголь». Всем им, особенно О.А. Акимовой, Л.Г. Буяновой, Т.М. Кадыровой, Т.В. Тарасовой и Т.Г. Язы-ниной выражаем глубокую благодарность и признательность за полезные творческие контакты.
исходит изменение условий циркуляции подземных вод, формируется гидравлически связанный техногенный водоносный комплекс со значительными отклонениями (от природного комплекса) в скоростном (фильтрационном) и напорном (уровневом) аспектах. Образуются природно-техногенные гидрогеологические структуры, нижняя граница которых определяется подошвой отработанного угольного пласта, а верхняя - высотой зоны водо-проводящих трещин над выработанным пространством. Изменение условий циркуляции подземных вод приводит к преобразованиям их состава и к формированию вод нового типа, который уместно называть техногенным, подчеркивая, что своей генетической спецификой он демонстрирует разнообразие гипергенных процессов, происходящих в природно-техногенных структурах.
Цель представляемых исследований заключалась в изучении геохимических особенностей состава подземных вод, формирующихся в природно-техногенных структурах районов ликвидированных угольных шахт Приморского края и Сахалинской области. Исследования направлены на решение сложной научно-практической проблемы рационального природопользования, мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды при ликвидации угольных шахт, предотвращения и ликвидации ее загрязнения. Они основаны на непрерывном, методологически и технически стандартизированном процессе наблюдений и измерений показателей, характеризующих флуктуации составов подземных вод. Все аналитические работы выполнялись в лабораториях, аккредитованных Федеральной службой по аккредитации.
Современный химический состав подземных вод
В результате проведенных исследований установлено, что в районах ликвидированных угольных шахт Приморья («Глубокая», «Нагорная», «Авангард», «Углекаменская», «Северная», «Ильи-чевская», «№4», «Подгородненская», «им. Артема», «Хасанская») и Сахалина («Мгачи», «Бошняково», «Макаровская», «Горнозаводская» и «Шебунино») поровые грунтовые воды четвертичных и неогеновых отложений, а также воды трещинного водоносного комплекса меловых отложений и трещинно-жильного водоносного комплекса зон тектонических нарушений и интрузивных контактов с меловыми отложениями являются весьма пресными (минерализация 0,3-0,4 г/дм3), мягкими, по водородному показателю ней-
тральными, гидрокарбонатными. Катионный тип воды варьируется от магниево-натриево-кальциевого к кальциево-магниевому. Тренд изменения состава подземных вод в природно-техногенных структурах связан с ростом их минерализации (от 0,3 до 8,0 г/дм3). В условиях сформировавшихся природно-техногенных структур повышение минерализации вод происходит за счет накопления ионов натрия, магния, гидрокарбонатов и сульфатов. Формируются следующие типы солоноватых вод [Тарасенко, 2010; Тарасенко, Зинь-ков, 2013; 2014]:
1) сульфатно-гидрокарбонатные, гидрокарбонатно-сульфат-ные и сульфатные магниевые;
2) сульфатно-гидрокарбонатные, гидрокарбонатно-сульфат-ные, и сульфатные натриевые воды (рис. 1).
Ионообменная трансформация ограничена диапазоном рН значений от 5,8 до 9,4. Накопление или Mg+2 в ряду определяется типом пород надугольной толщи. Это подтверждено результатами физико-химического моделирования системы «вода-порода», основанного на минимизации изобарно-изотермического
Рис. 1. Соотношение основных катионов и анионов в подземных водах районов ликвидированных шахт Приморья: 1 - состав вод техногенного комплекса шахт; 2 - состав вод аллювиального горизонта, 3 - состав трещинного и тре-щинно-жильного комплексов; 4 - тренд изменения состава вод
потенциала (программный комплекс «Селектор-Windows» [Чуднен-ко, Карпов, 2003]). Доказано, что геохимическая специфика подземных вод техногенного комплекса в районах ликвидированных угольных шахт закладывается в области питания и трансформируется в направлении фильтрационного потока по схеме HCO3-Ca ^ HCO3-Na(Mg) ^ HCO3-SO4-Na(Mg) ^ SO4-Na(Mg). Повышенные концентрации магния в подземных водах обусловливаются наличием в стратиграфическом разрезе большой доли (40 %) туфогенных образований основного состава [Тарасенко, Зиньков, 2013; 2014].
Содержания химических элементов в водах контролируют вторичные минералы. Выполненные для средних обобщенных составов вод природных и техногенных комплексов Приморья и Сахалина физико-химические расчеты электролитической диссоциации (ком-плексообразования) позволяют утверждать, что миграция компонентов в природных водах осуществляется преимущественно в виде незакомплексованных ионов. С ростом минерализации доля комплексных соединений миграционных форм растет. Тенденция возрастания концентраций комплексных соединений приводит к формированию аутигенных минеральных фаз. На диаграммах равновесия основных минералов (рис. 2) наблюдается четкая смена состава подземных вод при их циркуляции в природно-техногенных структурах и изменение состава равновесной вторичной минеральной фазы.
Практически все рассматриваемые воды равновесны с каолинитом. Дальнейшее взаимодействие воды с породой приводит к увеличению в растворе концентраций магния, кальция и натрия образуются монтмориллониты и хлорит (рис. 2 а-г, е). При накоплении ионов K+, связанных с анионитами слабых кислот (HCO3), формируются иллит и мусковит (рис. 2 е). При минерализации воды > 4 г/дм3 достигается равновесие с анальцимом (рис. 2 г), который является характерным минералом щелочных натриевых вод, и его наличие, по утверждению Р.М. Гаррелса и Ч.Л. Крайста [1968], может свидетельствовать о формировании аморфного кремнезема.
Кроме силикатов рассматриваемые воды равновесны с рядом карбонатов, сульфатов, оксидов и гидроксидов. Подземные воды, имеющие минерализацию > 0,6 г/дм3, насыщены карбонатами кальция и магния, что хорошо согласуется с положениями С.Л. Шварцева [1998] и др., касающимися поведения основных катионов в подземных водах различных ландшафтных зон. При минерализации вод >1,5 г/дм3 возможно равновесие с сульфатом магния -
Рис. 2. Диаграммы равновесия основных минералов с нанесением данных по составу подземных вод районов ликвидированных шахт: 1 - аллювиальный горизонт; 2 - трещинный и трещинно-жильный комплексы; 3 - техногенный водоносный комплекс Приморья (а) и Сахалина (б): а - система H20-Mg0-C02-БЮ2-Л120; б - система Н20-Л1203-Ка20-С02-ВЮ2; в - система Н20-Л1203-Са02-Ка20-С02-БЮ2; г - система Н20-Ка20-С02-ВЮ2-Л120; д - система Н20-К20-С02-БЮ2-Л120; е - система Н20-Са0-С02-БЮ2-Л120
Карбонат
3500 3000 2600 2ООО 1500 1000 500 Волновое число(см')
Рис. 3. График фазового состава тонкодисперсной фракции проб (излив шахты «Углекаменская»): а, б, в, г - разновидности тонких минеральных смесей
эпсомитом (в Раздольненском бассейне). В местах изливов вод техногенного комплекса, в условиях земной поверхности, наступает равновесие рассматриваемых вод с рядом натриевых минералов. Происходит осаждение термонатрита (Ка2С03Н20), тенардита (№2804), несквегонита (MgC03•3H20) и др.
Определение фазового (минерального) состава тонкодиспер-стной фракции проб методом ИК Фурье-спектрометрии (аналитик В. Кононов, ДВГИ) позволило установить 4 разновидности минеральных смесей, а именно (рис. 3):
1) смесь карбоната, кварца и монтмориллонита (рис. 3, а);
2) смесь монтмориллонита и кварца с незначительной примесью гидроксидов железа (рис. 3, б);
3) смесь монтмориллонита, кварца и карбонатов с существенной примесью гидроксидов железа (рис. 3, в);
4) гидроксиды железа (рис. 3, г).
Таким образом, показано, что воды, формирующиеся в при-родно-техногенных структурах ликвидированных угольных шахт, насыщены различными силикатами, карбонатами, сульфатами, оксидами, гидроксидами и этот факт обязательно следует учитывать при разработке технологии очистки подземных вод и мероприятий по минимизации воздействия ликвидированных шахт на окружающую природную среду.
Следует обратить внимание на то, что проектирование безреагентных очистных сооружений с фильтрационными дамбами не всегда приемлемо при разработке технологии очистки шахтных вод. Так как в условиях земной поверхности наступает равновесие рассматриваемых вод с рядом вторичных минералов, наблюдается интенсивная коагуляция из рассматриваемых вод новоминералообразова-ний (рис. 4, а) и формирование хлопьевидых тонкодисперсных масс (рис. 4, б, в), представленных преимущественно смесью глинистых минералов, кварца, карбонатов и гидроксидов железа. Это наглядно демонстрируется на примере очистных сооружений шахты «Углека-менская» (Приморье) (рис. 4), где слабая научная проработанность инженерного решения при проектировании этого сооружения, привела к созданию аварийной ситуации. В результате интенсивного формирования вторичных минералообразований здесь происходило быстрое заиливание фильтрующей загрузки дамбы, поднятие уровня воды в пруде-накопителе, перелив и разрушение гидротехнического сооружения.
Рис. 4. Безреагентные очистные сооружения с фильтрационной дамбой (шахта «Углекаменская»): а - коагуляция глинистых минералов на выходе из распределительного лотка, б - минералообра-зование на поверхности прудка-накопителя; в - тонкодисперсная минеральная фракция
Заключение
В результате проведенных исследований в районах ликвидированных шахт Приморья и Сахалина установлено следующее:
При затоплении угольных шахт происходит изменение условий циркуляции подземных вод, формируется гидравлически связанный техногенный водоносный комплекс.
Геохимическая специфика подземных вод техногенного комплекса закладывается в области питания и трансформируется в направлении фильтрационного потока по схеме НС03-Са ^ HCÜ3-Na(Mg) ^ HC0s-S04-Na(Mg) ^ S04-Na(Mg).
Рассматриваемые воды равновесны с вторичными минералами (силикатами, карбонатами, сульфатами, оксидами и гидроксидами) и этот факт обязательно необходимо учитывать при разработке мероприятий по минимизации воздействия формирующихся в при-родно-техногенных структурах вод на окружающую природную среду. Проектирование безреагентных очистных сооружений с фильтрационными дамбами не приемлемо.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968. 367 с.
2. Тарасенко И.А. О состоянии окружающей природной среды в районах ликвидированных угольных шахт (на примере Партизанского района Приморского края) // Вестник ДВО РАН. №3. 2010. С. 113-118.
3. Тарасенко И.А., Зиньков А.В. Особенности современного химического состава подземных вод угленосных районов о. Сахалин // Тихоокеанская геология. 2013. Т. 32, № 4. С. 100-110.
4. Тарасенко И.А., Зиньков А.В. Условия формирования и особенности химического состава подземных вод при «мокрой» ликвидации угольных шахт в Приморье // Вода: химия и экология. 2014. № 7. С. 92-98.
5. Чудненко К.В., Карпов И.К. Краткая инструкция «Селектор -Windows - программное средство расчета химических равновесий минимизаций термодинамических потенциалов». Иркутск, 2003. 90 с.
6. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. 2-е изд., испр. и доп. М.: Недра, 1998. 366 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Тарасенко Ирина Андреевна - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории геохимии Дальневосточного геологического института; ведущий научный сотрудник лаборатории региональной геохимии и минералогии Инженерной школы Дальневосточного федерального университета, [email protected],
Зиньков Александр Васильевич - профессор, заведующий кафедрой геологии, геофизики и геоэкологии Дальневосточного федерального университета, [email protected].
UDC 504.4.054+553.9:571.62
GEOCHEMICAL FEATURES OF COMPOSITION OF UNDERGROUND WATERS IN AREAS OF THE LIQUIDATED COLLIERIES OF PRIMORSKI KRAI AND THE SAKHALIN AREA
Tarasenko I.A., Candidate of Geological-Mineralogical Sciences, senior researcher of the laboratory of Geochemistry, far East geological Institute; senior researcher of the laboratory of regional geo-chemistry and Mineralogy of the school of Engineering, far Eastern Federal University, [email protected], Russia,
Zinkov A.V., Professor, head of Department of Geology, Geophysics and geo-environmental engineering, far Eastern Federal University, [email protected], Russia.
Features of a chemical compound of underground waters in areas of the liquidated collieries of Primorski Krai and Sakhalin are considered. The processes resulting from flooding of coal mines are followed by increase in concentration of the dissolved substances and change of a chemical composition of waters of a technogenic complex. Their geochemical specifics are put in the field of food and transformed in the direction of a filtrational stream according to the scheme: HCO—Ca ^ HCOs-Na ^ HCO—SO—Na ^ SO—Na. The technogenic waters which are formed in natural and technogenic structures of the liquidated coal mines are sated with various silicates, carbonates, sulfates, oxides, hydroxides. This fact surely should be considered when developing technology of purification of underground waters.
Key words: ground-water, the liquidated mines, hydrochemistry, formation conditions, equilibrium, pollution of waters.
REFERENCES
1. Garrels R.M., Krajst Ch.L. Rastvory, mineraly, ravnovesija (Solutions, minerals and equilibria). Moscow: Mir, 1968, 367 p.
2. Tarasenko I. A. O sostojanii okruzhajushhej prirodnoj sredy v rajonah likvidirovannyh ugol'nyh shaht (na primere Partizanskogo rajona Primorskogo kraja) (About the state of the natural environment in areas of abandoned coal mines (on the example of Partyzanski district of Primorsky Krai)) // Vestnik DVO RAN. No 3, 2010, pp. 113-118.
3. Tarasenko I.A., Zin'kov A.V. Osobennosti sovremennogo himicheskogo sostava podzemnyh vod uglenosnyh rajonov o. Sahalin (characteristics of modern chemical composition of groundwater in coal districts Sakhalin) // Tihookeanskaja geologija. 2013, V. 32, No 4, pp. 100-110.
4. Tarasenko I.A., Zin'kov A.V. Uslovija formirovanija i osobennosti himicheskogo sostava podzemnyh vodpri «mokroj» likvidacii ugol'nyh shaht v Primor'e (Formation conditions and characteristics of chemical composition of ground water in the "wet" coal mines closure in Primorye) // Voda: himija i jekologija, 2014, No 7, pp. 92-98.
5. Chudnenko K.V., Karpov I.K. Kratkaja instrukcija «Selektor — Windows — pro-grammnoe sredstvo rascheta himicheskih ravnovesij minimizacij termodinamicheskih potencia-lov» (Quick start guide "Selector - Windows - a software tool for the calculation of chemical equilibria minimize the thermodynamic potential. Irkutsk), Irkutsk, 2003, 90 p.
6. Shvarcev S.L. Gidrogeohimija zony gipergeneza (Hydrogeochemistry zone of hypergenesis). 2-e izd., ispr. i dop. Moscow, Nedra, 1998, 366 p.
